Kvant. Ток

А так ли хорошо знаком вам электрический ток ? // Квант. — 1989. — № 12.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать,
что атомы вещества каким-то образом одарены электрическими силами
или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами.
М. Фарадей

...электрический ток заключает в себе перемещение.
Дж. Максвелл

Извилистая история исследования электрических свойств самых различных сред, когда трудно было призвать, что токи, текущие по металлическому проводу и в жидкости, проходящие через газы и вакуум, являются ближайшими «родственниками», с необходимостью привела к электронной теории. Эта теория позволила истолковать многие — и не только электрические — свойства материн, была шагом к более тонкому пониманию структуры вещества и взаимодействий, управляющих его поведением. А это, в свою очередь, повлекло за собой целый сойм технологических открытий, кардинально изменивших облик окружающего нас мира.

Сверхпроводники и солнечные батареи, МГД-генераторы и полупроводниковые элементы вычислительной техники — это лишь немногие примеры из тех областей физики и техники, где принципиально важно знать, как протекает ток через то, или иное вещество. Этот вопрос — главный в сегодняшнем «Калейдоскопе».

Вопросы и задачи

1. Длину проволоки вытягиванием увеличили вдвое. Как изменилось ее сопротивление?
2. Где больше средняя скорость упорядоченного движения электронов: в нити лампы или в проводах, подводящих к ней ток?
3. Две квадратные металлические пластины одинаковой толщины включены в цепь. Одинаковое ли сопротивление оказывают они току?

   

4. Может ли стекло проводить электрический ток?
5. Плоский конденсатор заполнен средой с диэлектрической проницаемостью ε и удельным сопротивлением ρ. Чему равно сопротивление конденсатора, если его емкость равна С?
6. В полупроводниках концентрация заряженных частиц много меньше, чем в металлах. Отчего же при последовательном соединении полупроводника и металлического проводника с равными поперечными сечениями сила тока в них одинакова?
7. Различаются ли чем-нибудь «дырка» и положительный ион в полупроводниках?
8. Почему измерения в электропроводности полупроводников проводят при очень слабом освещении или в темноте?
9. В цепь включена открытая металлическая трубка Т. Как изменится показание амперметра, если трубку заполнить водным раствором медного купороса?

   

10. Одинаковое ли количество меди выделяется на катодах 1, 2 и 3?

    

11. Чем отличается образование ионов в электролитах от ионизации газа?
12. К каким полюсам источника тока нужно присоединить электроды в форме диска и острия, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, чтобы воздушный пробой произошел при меньшей разности потенциалов между электродами?

    

13. Почему в дымоходных трубах частицы угля в дыме обладают положительным зарядом?
14. Будет ли работать в космосе радиолампа с разбитым стеклом?

    

Микроопыт

Включите лампу в комнате. Можете ли вы заметить, сколько времени прошло между моментом включения и моментом, когда лампочка загорается?

Любопытно, что...

...электродинамика Максвелла была фактически теорией электромагнитных явлений в вакууме. Для ее приложения к свойствам вещества приходилось вводить множество констант, полученных опытным путем.

...величины проводимости проводников и изоляторов различаются в огромное число раз, измеряемое единицей с двадцатью двумя нулями.

...если сравнить концентрацию электронов проводимости, например, в меди, с концентрацией молекул газа при нормальных условиях, то окажется, что электронный газ в металле как бы сжат давлением в 1200(!) атмосфер.

...сейчас нам представляется совершенно очевидным, что молния — это искра, которая проскакивает между облаками и землей. Однако в свое время для доказательства этого факта М. В. Ломоносову и Б. Франклину пришлось положить немало сил, а Г. В. Рихману это стоило жизни.

• 
• 

...археологические находки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить, что уже две тысячи лет назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий. Об этом же говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

Что читать в «Кванте» об электрическом токе в различных средах

(публикации последних лет)

1. «О числе Фарадея и удельном заряде заряженной частицы» — 1985, № 2, с. 25;
2. «Полевые транзисторы» — 1985, № 10, с. 46;
3. «Биполярные транзисторы» — 1985, № 11, с 48;
4. «Ионы в растворах» — 1986, № 7, с. 22;
5. «Как в металле протекает электрический ток?» — 1988, № 3, с. 41;
6. «Сверхпроводимость: история, современные представления, последние успехи» — 1988, № 6, с. 2;
7. «За пределами закона Ома» — 1989, № 4, с 2;
8. «Симметрия, анизотропия и закон Ома» — 1989, № 10, с. 12.

Ответы

1. Увеличилось в 4 раза.
2. В нити, поскольку площадь поперечного сечения у проводов значительно больше, чем у нити.
3. Одинаковое.
4. Да — в накаленном состоянии (t > 300 °C).
5. \(R = \rho \frac{d}{S} = \rho \frac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon}{C}.\)
6. Средняя скорость упорядоченного движения носителей заряда будет в полупроводнике больше, чем в металле.
7. В кристаллической решетке дырками могут быть и нейтральные атомы примеси, валентность которых ниже валентности основных атомов решетки.
8. Электропроводность полупроводников зависит от их освещения.
9. Заполнив трубку раствором, мы как бы включаем параллельно трубке сопротивление, показание амперметра увеличится.
10. На третьем катоде — больше, поскольку сила тока здесь наибольшая.
11. В электролитах молекулы распадаются только на ионы (диссоциация) и только за счет энергии теплового движения. Молекулы же газа распадаются на ион и электрон (ионизация) не только вследствие теплового движения, но и под действием излучений.
12. Острие — к отрицательному полюсу, диск — к положительному.
13. При высокой температуре уголь, как и металлы, излучает электроны.
14. Да, так как в космосе — вакуум.

Микроопыт

Свет «зажигается», когда до лампочки доходит сигнал (изменение электрического поля в проводнике), но ни в коем случае не сами электроны. Сигнал может дойти до нити накала за 10^–9 с. Однако, чтобы нить начала светиться видимым светом, ток должен ее нагреть до нескольких тысяч градусов Кельвина. На это обычно требуется 0,01-0,1 с, практически заметить такой промежуток нельзя.