Теория:
Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1), в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1), в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.
Рис. 1. Изображение кристаллической решетки
Ионами называют атомы и молекулы, имеющие либо избыток, либо недостаток электронов.
Ионизацией называют процесс присоединения или отрывания электронов от нейтральных атомов и молекул.
Отрицательными ионами называют атомы и молекулы, присоединившие к себе лишние электроны — приобретшие отрицательный заряд.
Положительными ионами называют атомы и молекулы, потерявшие электроны — приобретшие положительный заряд.
Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Свободные электроны движутся в пространстве между ними (рис. 2).
Рис. 2. Изображение свободных электронов
В невозбуждённом состоянии атом любого вещества имеет одинаковое количество электронов и протонов, поэтому суммарный их заряд равен нулю. Говорят, что атом электрически нейтрален.
Процесс электризации тела представляет собой приобретение или потерю этим телом электронов и ионов. Подвижными носителями зарядов в твёрдых металлов являются только электроны. При электризации металлических тел с одного на другое переходят только электроны.
В твёрдых телах ионы связаны молекулярными силами и находятся в узлах кристаллической решётки.
Связанным называется электрон, который находится в атоме или молекуле.
Свободным называется электрон, оторвавшийся и не присоединившийся к другим молекулам и атомам, существующий как самостоятельная частица.
Электрический ток в металлах обусловлен наличием свободных подвижных электронов, совокупность которых называют электронным газом.
Электрически нейтральным будет называться вещество, в котором количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.
Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля?
Оказывается, скорость движения электронов в проводнике чрезвычайно мала, всего лишь несколько миллиметров в секунду. Почему же тогда лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель? Все дело в том, при включении света в проводнике возникает электрическое поле (скорость его распространения около 300 000 км/с), которое заставляет
электроны двигаться в одном направлении по всей длине проводника.
Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.
Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.
Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.
Обрати внимание!
Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).
Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы (рис. 3).
Рис. 3. Изображение транзистора
Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток — являются диэлектриками. При воздействии на полупроводник светом, добавлением примесей или при нагревании появляются свободные носители зарядов, которые при своём направленном движении создают электрический ток. Полупроводник становится проводником.
Свойство полупроводников изменять электропроводность при нагревании используется в термометрах.
Свойство полупроводников изменять электропроводность под воздействием света используется в фотосопротивлениях для создания сигнализации, при сортировке деталей.
В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.
Исторически принято следующее:
Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.
При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов: движение электронов показано зеленой стрелкой, а направление тока — красной стрелкой (рис. 4).
Рис. 4. Изображение направлений тока и движения электронов
Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:
• Магнитным (наблюдается во всех проводниках).
Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.
Магнитное действие тока используют в устройстве гальванометра. Для этой цели между полюсами магнита помещают легкую рамку с витками провода. При протекании тока она поворачивается, увлекая за собой стрелку (рис. 5).
Рис. 5. Изображение гальванометра Д'Арсонваля
Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка, и тем больше отклонение стрелки гальванометра.
Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы. Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.
• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).
При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания. Под действием тока нагревается и провисает проволока.
• Химическим (наблюдается в электролитах).
Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.
Условные обозначения, применяемые на схемах (рис. 6, 7):
Гальванометр | Нагревательный элемент |
 Рис. 6. Обозначение гальванометра |  Рис. 7. Обозначение нагревательного элемента |
Источники:
Рис. 1. By Benjah-bmm27 - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2071456.
Рис. 2. Изображение свободных электронов. © ЯКласс.
Рис. 3. Указание автора не требуется. Лицензия Pixabay, бесплатное коммерческое использование, 2021-06-19, https://clck.ru/Vbgh4.
Рис. 4. By User:Flekstro - Conventional_Current.png by User:Romtobbi, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7138943.
Рис. 5. By https://wellcomeimages.org/indexplus/obf_images/30/af/06570418c9a34ae5c68c689cd90a.jpgGallery: https://wellcomeimages.org/indexplus/image/M0016397.htmlWellcome Collection gallery (2018-03-22): https://wellcomecollection.org/works/r5xws5y8 CC-BY-4.0, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36372557.
Рис. 6. Обозначение гальванометра. © ЯКласс.
Рис. 7. Обозначение нагревательного элемента. © ЯКласс.