Электрический ток в металлах, электролитах, газах и полупроводниках

Разные вещества — разные носители

Для тока нужны подвижные заряженные частицы и условия, создающие их направленное движение. В металле носителями служат электроны, в электролите — ионы, в газе — электроны и ионы, в полупроводнике — электроны и дырки. Одинаковое показание амперметра означает одинаковый перенос заряда за секунду, но не одинаковые микроскопические процессы.

В металлах положительные ионы образуют решётку, а электроны проводимости получают направленный дрейф под действием поля. С усилением тепловых колебаний решётки сопротивление обычного металла обычно увеличивается. Это используют в термометрах сопротивления. У некоторых веществ ниже критической температуры сопротивление постоянному току становится нулевым; сверхпроводимость сохраняется лишь в допустимых пределах температуры, тока и магнитного поля и сопровождается особыми магнитными свойствами.

В металле перемещаются электроны среди ионов решётки; в электролите положительные и отрицательные ионы движутся противоположно; в полупроводнике носители — электроны и дырки.

Ионы и электролиз

В растворе или расплаве электролита подвижны положительные и отрицательные ионы. Электролитическая диссоциация — распад вещества на ионы при растворении или плавлении. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному, но оба потока дают вклад в один условный ток. Электроды соединяют электролит с внешней цепью.

Электролиз — химические превращения на электродах при прохождении тока через электролит. Например, ионы металла могут принимать электроны и осаждаться на катоде. В идеализированном расчёте масса выделенного вещества пропорциональна прошедшему заряду:

Коэффициент $k_{\text{э}}$ зависит от вещества и реакции, в СИ его измеряют в $\text{кг/Кл}$. Это закон Фарадея для электролиза; не следует путать его с законом электромагнитной индукции. Гальваническое покрытие защищает и украшает поверхность, а электролиз применяют при получении и очистке металлов.

Газовый разряд и плазма

Обычный воздух при небольшом поле проводит плохо. Ионизатор — например, излучение — создаёт электроны и ионы, которые поле направляет к электродам. Если после выключения ионизатора ток исчезает, разряд несамостоятельный. При достаточно сильном поле электроны сами ионизируют газ столкновениями, и разряд может поддерживаться без внешнего ионизатора; это самостоятельный разряд.

Молния — мощный искровой разряд, дуга и тлеющий разряд используются в технических устройствах. Плазма — частично или полностью ионизированный газ, коллективное движение частиц которого существенно связано с электромагнитным полем. В достаточно большом объёме положительный и отрицательный заряды плазмы обычно почти компенсированы. Высокая проводимость плазмы не означает, что каждый газ автоматически проводит ток.

Электроны в вакууме

Вакуум сам по себе не содержит готовых носителей для тока. Электроны могут поступать с нагретого катода благодаря термоэлектронной эмиссии; положительный анод притягивает их. Вакуумный диод проводит преимущественно в одном направлении, поскольку носители испускает главным образом катод. Электронный пучок отклоняют электрическими и магнитными полями; его заряд, энергию и траекторию используют в электронных приборах и микроскопах.

Электрический ток может существовать и как отдельный пучок в пространстве. Требование замкнутой цепи относится к длительной работе источника и возврату заряда, а не к определению любого кратковременного тока. Без пополнения заряда первоначальные условия источника постепенно меняются.

Полупроводники и p–n-переход

В чистом полупроводнике при нагревании часть электронов освобождается из связей, оставляя незаполненные места — дырки. Дырка — подвижное незаполненное электронное состояние, ведущее себя при описании проводимости как положительный носитель заряда. Электроны соседних связей заполняют его, так что место недостатка электрона перемещается. При повышении температуры число носителей часто растёт и сопротивление уменьшается, как у распространённых термисторов.

Донорная примесь даёт дополнительные электроны и проводимость n-типа, акцепторная — дырки и p-тип; целый образец при этом остаётся почти нейтральным. На границе областей возникает обеднённый носителями слой и внутреннее поле. Прямое напряжение уменьшает препятствие переносу основных носителей, обратное увеличивает его: p–n-переход обладает односторонней проводимостью.

Диод используют для выпрямления, светодиод превращает часть энергии рекомбинации в свет, фоторезистор меняет сопротивление при освещении, а солнечный элемент разделяет носители, созданные поглощённым светом. Транзистор позволяет управлять током и лежит в основе электронных схем. Нелинейную характеристику этих приборов нельзя описывать одним постоянным сопротивлением при любых напряжениях.

Определения измеряемых величин сохраняются такими же, как в основах электрического тока. Работу Изучение закона Ома для участка цепи используйте как пример омического участка; её результат не следует автоматически переносить на диод, газовый разряд или электролит с изменяющимися условиями.