Электропроводность растворов и веществ

Атомы химических элементов, входящих в состав любого вещества, состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг ядра.

Атомы обычно электрически нейтральны, так как заряд ядра равен сумме зарядов электронов.

Если от электрически нейтрального атома (молекулы) отделяется электрон, то атом превращается в положительный ион.

Отделившийся от атома электрон может присоединиться к другому нейтральному атому, образуя отрицательный ион, или он может остаться свободным.

Такие электроны называют электронами проводимости, а процесс образования ионов — ионизацией.

Количество свободных электронов или ионов в единице объема определяет концентрацию свободно заряженных частиц.

Каждый электрон в атоме может обладать только определенными значениями энергии, т. е. находиться только в разрешенных энергетических состояниях или уровнях, так как изменение энергии электрона может происходить только определенными порциями — квантами.

Переход электрона на более высокий уровень требует затраты энергии.

Переход электрона на более низкий уровень сопровождается излучением избытка энергии атомом.

В веществах, образованных совокупностью атомов, вследствие взаимного влияния соседних атомов энергетические уровни несколько изменяются, образуя энергетические зоны.

Эти зоны отделяются областями, в которых электроны не могут находиться, называемыми запрещенными зонами.

Энергетические зоны, соответствующие разрешенным уровням, делятся на:

1. Заполненную.
2. И свободную.

Для возникновения электропроводности необходимо части электронов заполненной зоны перейти в свободную зону.

Возможность такого перехода определяется шириной запрещенной зоны, пропорциональной энергии, которую необходимо затратить для указанного перехода электронов.

Различие проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков вызывается особенностями их строения.

Согласно зонной теории твердого тела у металлических проводников высокая проводимость обусловливается тем, что заполненная зона вплотную прилегает к свободной зоне (рис. 1-5, а).

Рис. 1-5. Энергетические уровни. а — проводник; б — диэлектрик; в — полупроводник; 1 — свободная зона; 2 — запрещенная зона; 3 — заполненная зона.

Вследствие этого электроны в металле могут переходить с уровней заполненной зоны на уровни свободной зоны.

Иначе говоря, электроны могут с менее удаленных от ядра орбит переходить на более удаленные орбиты или покидать пределы атома.

Становясь свободными, перемещаясь от одного атома к другому под действием слабых напряженностей электрического поля, созданного напряжением, приложенным к концам проводника.

Если у данного вещества свободная зона отделена от заполненной достаточно широкой запрещенной зоной (рис. 1-5, б), то соответственно этому проводимость вещества будет ничтожной и следовательно, это будет диэлектрик.

У полупроводников ширина запрещенной зоны значительно уже, чем у диэлектриков (рис. 1-5, б), в соответствии с чем для перехода электронов в свободную зону требуется небольшое возбуждение.

Например за счет усиления теплового движения атомов при повышении температуры, в связи с чем они обладают проводимостью, имеющей промежуточное значение между проводимостью проводников и диэлектриков.

Проводники делятся на два рода:

1. В проводниках первого рода, к которым преимущественно относятся металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов (проводники с электронной проводимостью).
2. В проводниках второго рода — электролитах, к которым относятся водные растворы кислот и солей, электрический ток создается перемещением отрицательных и положительных ионов, которые получаются вследствие распада молекул вещества под действием растворителя (проводники с ионной проводимостью).

Электропроводность металлов

Электропроводность металлов зависит от равномерного и непрерывного движения электронов внутри кристалла.

Это подтверждается тем фактом, что малые количества примесей очень сильно уменьшают проводимость.

В промышленности медь очищается до 99,999%-ной чистоты, в результате чего значительно увеличивается ее электропроводность.

Таблица электропроводности сплавов меди с другими элементами

Содержание меди в сплаве, %	Элемент		Электропроводность, (ом•см)-1
	символ	содержание %
100,00	—	—	5,9•105
99	Мn	0,98	2,1•105 (0°С)
95,8	Мn	4,2	0,56•105 (20°С)
97	Аl	3	1,2•105 (0°С)
90	Аl	10	0,79•105(0°С)
88	Sn	12	0,56•105(20°С)

В таблице приведены некоторые значения электропроводимости меди с добавками различных элементов.

Медь, применяемая для изготовления электрических проводов, должна быть тщательно очищена от всех примесей.

Так как они увеличивают электрическое сопротивление проводника.

В свою очередь, напряжение, потерянное в проводнике, пропорционально сопротивлению (для данной силы тока).

Поэтому естественно, что надо стремиться к уменьшению удельного сопротивления материала, из которого изготовляются электрические провода.

Статья на тему Электропроводность