Электрический ток в различных средах

Носители заряда в металлах — свободные электроны, поэтому при прохождении тока вещество не переносится. С ростом температуры ионы кристаллической решётки колеблются сильнее, сильнее мешают упорядоченному движению электронов, и сопротивление растёт:

где $R_0$ и $\rho_0$ — значения при $0\,^\circ\text{C}$, $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления ($\text{K}^{-1}$). Для металлов $\alpha > 0$.

У некоторых веществ при очень низкой температуре, ниже определённой критической, сопротивление скачком падает до нуля. Это сверхпроводимость; её открыл Камерлинг-Оннес в 1911 году, охлаждая ртуть примерно до $4$ К.

При растворении солей, кислот и щелочей в воде часть молекул распадается на положительные и отрицательные ионы; это электролитическая диссоциация. Ток в электролите создают ионы обоих знаков: положительные идут к катоду, отрицательные к аноду, и на электродах выделяется вещество. Этот процесс называется электролизом. С ростом температуры сопротивление электролита уменьшается.

Первый закон электролиза: $m = kq = kIt$, где $k$ — электрохимический эквивалент вещества (кг/Кл).

Второй закон электролиза: $k = \frac{1}{F}\cdot\frac{M}{n}$, где $M$ — молярная масса, $n$ — валентность иона, $F = eN_A \approx 9{,}65\cdot10^4$ Кл/моль — постоянная Фарадея.

Электролиз применяют для нанесения металлических покрытий (гальваностегия), очистки металлов и получения алюминия.

В обычных условиях газ — диэлектрик. Его можно ионизовать нагреванием, ультрафиолетовым, рентгеновским или радиоактивным излучением, и тогда носителями заряда становятся электроны и ионы. Разряд, который существует только при действии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным, а разряд, продолжающийся и после его удаления, — самостоятельным.

На вольт-амперной характеристике газового разряда ток сначала растёт с напряжением, затем наступает насыщение: все заряды, созданные ионизатором, доходят до электродов. При дальнейшем росте напряжения разогнанные электроны ионизуют атомы ударом, ток резко растёт, и разряд становится самостоятельным.

Виды самостоятельного разряда: тлеющий (в газе при низком давлении, рекламные трубки), искровой (молния), дуговой (электросварка), коронный (вокруг проводов высокого напряжения). Сильно ионизованный газ, в целом электронейтральный, называется плазмой: это вещество звёзд, канал молнии, газ внутри газоразрядных ламп.

В вакууме носителей заряда нет, их создаёт термоэлектронная эмиссия: нагретый катод испускает электроны. Вакуумный диод состоит из нагреваемого катода и анода и проводит ток только в одном направлении, когда анод положителен; поэтому его применяют для выпрямления переменного тока. Его вольт-амперная характеристика нелинейна и выходит на ток насыщения: все электроны, испущенные катодом, доходят до анода. С ростом температуры катода ток насыщения увеличивается.

В электронно-лучевой трубке электронная пушка создаёт узкий пучок электронов, две пары отклоняющих пластин отклоняют его по вертикали и горизонтали, а люминофорное покрытие экрана светится там, куда попадает пучок. Такая трубка — главная часть осциллографа, который позволяет увидеть на экране зависимость электрического сигнала от времени.

Сопротивление полупроводников (Si, Ge) с ростом температуры уменьшается, потому что при нагревании появляются новые носители заряда. В чистом полупроводнике есть собственная проводимость: число свободных электронов и дырок одинаково.

Примесная проводимость: при добавлении к кремнию пятивалентной примеси (фосфор, мышьяк) появляются лишние электроны; это донорная примесь, она даёт проводимость n-типа. Трёхвалентная примесь (бор, индий) создаёт дырки; это акцепторная примесь, она даёт проводимость p-типа.

p-n переход проводит ток практически в одном направлении: при прямом включении (p-область к плюсу источника) ток большой и быстро растёт с напряжением, при обратном очень мал. Так работает полупроводниковый диод.

Сопротивление фоторезистора резко уменьшается при освещении, термистора — при нагревании. В термоэлементе разность температур спаев двух разных материалов создаёт ЭДС. В транзисторе два p-n перехода (эмиттер, база, коллектор): небольшой ток базы управляет большим током коллектора, поэтому транзистор работает как усилитель и ключ.