Электрический ток в различных средах

Электрический ток может прохо­дить через различные вещества: металлы, растворы и расплавы элект­ролитов и, при определенных усло­виях, газы. Широкое применение в электронике получили некоторые вещества, называемые полупровод­никами, электропроводность кото­рых характеризуется, некоторыми особенностями. Выяснить природу тока — это зна­чит установить, какие именно части­цы переносят электрический заряд в данной среде.

Основной закономерностью для тока в любом проводнике слу­жит зависимость силы тока от при­ложенного напряжения. График этой зависимости называется вольт - ам­перной характеристикой данного про­водника.

1.1 Электрический ток в металлах

П рирода электрического тока в металлах. Электрический ток в ме­таллических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кро­ме их нагревания, не вызывает. Это было подтверждено опытами Э. Рикке (1901 г.). В этих опытах электрический ток пропускали в те­чение года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных ци­линдра — медный, алюминиевый и снова медный. Общий за­ряд, прошедший за это время через цилиндры, был очень велик (око­ло 3,5-10⁶ Кл). После окончания опытов было установлено, что имеют­ся лишь незначительные следы вза­имного проникновения металлов, ко­торые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твер­дых телах. Следовательно, свободными носи­телями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошел через цилиндры, был пере­несен, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алю­минии. Как известно, такие частицы входят в состав атомов всех ве­ществ — это электроны.

Прямое и убедительное доказа­тельство справедливости этого пред­положения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. русскими фи­зиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. англий­скими физиками Р. Толменом и Т. Стюартом. В основе этих опытов лежит пред­положение о наличии в ме­таллах свободных элект­ронов, движущихся в пространстве между ионами кристал­лической решетки. Если металлический проводник привести в движение и резко затор­мозить, то свободные электроны дол­жны по инерции продолжать движе­ние относительно ионной решетки. Следовательно, в проводнике должен возникнуть кратковременный ток.

Опыт по обнаружению инерцион­ного движения электронов в метал­ле был поставлен следующим обра­зом. На катушку наматывают про­волоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изоли­рованным друг от друга. Диски при помощи скользящих контактов соединяются с чувстви­тельным гальванометром. Катушку приводят в быстрое вращение, а за­тем резко останавливают. Стрел­ка гальванометра при торможении катушки отклоняется, что говорит о возникновении кратковременного то­ка. По направлению отклонения стрелки было установлено, что ток со­здается движением именно отри­цательно заряженных частиц.

На основании данных этого опыта было получено значение отношения заряда носи­теля к его массе. Эта величина оказалась близкой к значению отношения заряда элект­рона к его массе, полученному из опытов, выполненных другими методами. Так было ус­тановлено, что носителями свободных заря­дов в металле являются электроны.

В ольт-амперная характеристика металлов. Из закона Ома для участка цепи следует, что при посто­янном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Следовательно, вольт-амперная ха­рактеристика для металлического проводника представляет собой пря­мую линию, проходящую через нача­ло координат. Проводник с такими свойствами называется ре­зистором.

Угол наклона графика к оси на­пряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен проводимости ре­зистора (в заданном масштабе на осях координат).