§ 32. Електрична провідність матеріалів. Струм у металах

Ви вже знаєте, що деякі матеріали проводять електричний струм — їх називають провідниками. Матеріали, що не проводять електричного струму, є ізоляторами. їх називають ще діелектриками. Існують матеріали, які за властивістю проводити електричний струм називають напівпровідниками. Вивчивши цей розділ, ви навчитеся пояснювати властивості провідників, напівпровідників та діелектриків. Почнемо з провідників, до яких належать перш за все метали.

Ви знаєте з курсу хімії, що в атомах металів електрони слабко зв’язані з ядрами. Тому деякі з них відокремлюються від ядер і починають безладно рухатися між іонами, що утворилися. Ці електрони є вільними носіями заряду — вільними електронами.

Метали в твердому стані, як відомо, мають кристалічну будову. Частинки в кристалах розміщуються в певному порядку, утворюючи просторові ґратки. Від будови кристалічних ґраток залежать вид і форма кристала. На мал. 70 зображено модель кристалічних ґраток металу. У вузлах її містяться позитивні йони. У просторі між йонами рухаються вільні електрони. Перевірте, чи відповідає законові збереження електричного заряду зображена модель. Тобто, чи дорівнює негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням позитивному зарядові всіх йонів кристалу.

У звичайних умовах метал електрично нейтральний. Вільні електрони в ньому рухаються невпорядковано або хаотично, електричний струм у металі відсутній. Але якщо в металі створити електричне поле, то всі вільні електрони почнуть рухатися в напрямі дії електричних сил — виникне

електричний струм. Хаотичний рух електронів при цьому зберігається. Електричний струм у металах — це впорядкований рух вільних електронів.

Швидкість руху окремих електронів у провіднику під дією електричного поля невелика — кілька міліметрів за секунду, а іноді й менша. Електричне ж поле у провіднику поширюється зі швидкістю, що є близькою до швидкості світла у вакуумі (300000 км/с). Одночасно з поширенням електричного поля починають у певному напрямку рухатися електрони. Отже, і електричний струм поширюється із величезною швидкістю.

Щоб зрозуміти, чим відрізняються провідники від ізоляторів (діелектриків) розглянемо їх поведінку в електричному полі.

Помістимо провідник в електричне поле між різнойменно зарядженими пластинами. Поверхня провідника виявиться зарядженою. Перерозподіл зарядів у провіднику відбуватиметься до тих пір, поки в середині провідника не зникне електричне поле (мал. 71).

У правій частині провідника, яка розташована ближче до негативно зарядженої пластини, виникла

нестача електронів. Ця поверхня провідника виявилася зарядженою позитивно. Ліва частина провідника — зарядженою негативно через надлишок електронів.

У першому розділі ви познайомилися з електризацією через вплив. Тепер ви зможете пояснити це явище. Зверніть увагу на те, що в середині провідника електричного поля не існує: зовнішнє електричне поле, створене зарядженими пластинами, компенсується внутрішнім електричним полем, створеним зарядженими поверхнями провідника.

Розглянемо, як електричне поле впливає на діелектрик. З курсу хімії 8 класу ви знаєте, що існує ковалентний полярний і неполярний зв’язок атомів у молекулах. У першому випадку молекула являє собою диполь, у якого є позитивно і негативно заряджені частини. Молекули з неполярним ковалентним зв’язком при відсутності зовнішнього електричного поля не мають різнойменно заряджених частин. Але всередині таких молекул під дією зовнішнього поля електрони можуть зміщуватися стосовно позитивних зарядів. При цьому молекули залишаються електрично нейтральними, але в них з’являються позитивно і негативно заряджені частини.

Як ви знаєте, різнойменні заряди притягуються, а однойменні відштовхуються. Молекули діелектрика орієнтуються під дією зовнішнього електричного поля в певному порядку вздовж ліній електричного поля (мал. 72). У результаті на одній поверхні діелектрика виникає позитивний заряд, а на іншій — негативний. Це явище називається поляризацією діелектрика, більш детально познайомитеся з ним пізніше.

Явище поляризації діелектрика дозволяє пояснити досліди з притягання легких предметів, наприклад шматочків паперу, наелектризованого скляною паличкою. Хоча шматочки паперу в цілому

нейтральні, але в електричному полі вони поляризуються. На найближчому до палички кінці папірця з’являється протилежний за знаком зв’язаний заряд, а на віддаленому кінці — заряд того ж знака, що і на паличці.

Речовини поділяються на провідники, діелектрики та напівпровідники. Метали належать до провідників унаслідок наявності в них вільних електронів.

1. Як поділяються речовини за поведінкою в електричному полі? 2. Наведіть приклади провідників та ізоляторів. 3. Що відбувається з вільними електронами металевого тіла, якщо його помістити в електричне поле? 4. Чому тертям можна наелектризувати скляну чи ебонітову паличку, тримаючи її в руках, а металеву паличку неможливо наелектризувати таким чином?

? 1. Як пояснити, що в звичайних умовах метал є електрично нейтральним? 2. В електричне поле вносять діелектрик. Чим відрізняється його поведінка в електричному полі від поведінки провідника?

1. Яким чином можна захистити електричний пристрій від дії на нього зовнішніх електричних полів? 2. У вас є дві металічні пластини і наелектризована скляна паличка. Як можна на пластинах отримати різнойменні заряди? 3. Чи зміниться формула закону Кулона, якщо сила взаємодії зарядів буде визначатися в діелектрику?

Відсутність електричного поля і електричного І заряду всередині провідника відкрив Фарадей у

_¹1836 р. Він провів такий дослід. Велику

дерев’яну клітку обтягнули олов’яними листами, ізолювали від землі і заряджали великим зарядом. В клітку входив Фарадей з електроскопом. Листочки електроскопа не відхилялися.

Для практичного застосування електричного струму необхідно скласти електричне коло. Для цього обов’язково треба мати джерело струму. Крім того необхідні споживачі електричного струму, наприклад, електричні лампи, двигуни, з’єднані між собою провідниками. Для вмикання і вимикання споживачів використовують пристрої, які називають вимикачами. У найпростіших випадках електричне коло складають:    джерело струму, його споживачі,

вимикачі, з*єднувальні провідники (мал. 73 а). Малювати всі прилади, увімкнуті в електричне коло, довго і незручно. Тому користуються схемами електричних кіл, на яких зображено способи з’єднання споживачів електричного струму, вимірювальних приладів, вимикачі, запобіжники, джерела струму. Елементи електричного кола на схемах позначають умовними знаками (мал. 73 б). Наприклад, коло на мал. 73 а складається з джерела

струму, електричної лампи розжарення, вимикача, з’єднувальних провідників. На схемі позначаються позитивний (+) і негативний (-) полюси джерела струму.

На схемах часто позначають напрямок електричного струму. Ви вже знаєте, що електричний струм — це спрямований рух електронів.

В металевих провідниках у замкнутому електричному колі електрони рухаються від негативного полюса джерела до позитивного. Проте напрямок струму прийнято показувати на схемах від позитивного полюса до негативного. Це правило залишилося ще з тих часів, коли про носії електричного струму не було достовірних відомостей.

Під час вивчення фізики ви будете складати електричні кола, проводити в них різні вимірювання.

Запам’ятайте! Вмикати струм у колі можна тільки з дозволу вчителя. Будьте обережними з електричними приладами. Ніколи не торкайтеся оголених провідників. Не торкайтеся води, у яку опущений кип’ятильник.

Електричне коло — це сукупність сполучених між собою провідниками джерела струму, споживачів та вимикачів.

1. З яких елементів складається електричне коло? 2. Як визначається напрям електричного струму в колі?

? 1. Накресліть схему електричного кола дзвінка з кнопкою для його вмикання. 2. Накресліть схему вмикання в електричне коло електричної лампи розжарення з вимикачем.

1. Розробіть схему електричного кола, яке складається з джерела струму, дзвінка та двох вимикачів, якими можна було б вмикати електродзвінок з різних кімнат.

В основу дії гальванічного елемента покладено явище взаємодії металу з електролітом, що призводить до виникнення в замкнутому колі гальванічного елемента електричного струму. Розглянемо будову гальванічного елемента Вольта. Він складається з цинкової і мідної пластин, опущених у водний розчин сірчаної кислоти (мал. 74 а).

Внаслідок взаємодії цинку з сульфатною (сірчаною) кислотою всередині елемента відбувається розділення частинок, що мають електричний заряд. При цьому цинкова пластина стає зарядженою негативно, а мідна — позитивно. Між зарядженими пластинами, які називають електродами, виникає електричне поле. При з’єднанні пластин провідником у ньому виникає струм.

Якщо з’єднати мідну й цинкову пластини елемента провідником, по провіднику почнуть переміщатися електрони від цинкової пластини до мідної, у колі виникне електричний струм. Підключивши до полюсів елемента електричну лампу, переконаємося у наявності струму (мал. 74 б).

На практиці широко застосовують сухий гальванічний елемент (мал. 75). Він складається з цинкової посудини (мал. 75, 1), у яку вставлено вугільний стрижень (мал. 75, 2). Стрижень вміщують у полотняний мішечок (мал. 75, 3), наповнений сумішшю манган(ІУ) оксиду з вугіллям. Замість рідини в елементі застосовують густий клейстер (мал. 75, 4), виготовлений з борошна, розчиненого у нашатирі. Цинкову посудину з усім вмістом уставлено в картонну коробку й залито зверху шаром смоли (мал. 75, 5)у в якій зроблено невеликий отвір для виходу газів, що утворюються під час роботи елемента. Затискач на вугільному стрижні є позитивним полюсом елемента, а цинкова посудина — негативним.

З декількох таких елементів можна скласти батарею. На мал. 76 зображено батарею для кишенькового ліхтарика. У цій батареї вугільний стрижень першого елемента з’єднано з цинковим циліндром другого, а вугільний стрижень другого — із циліндром третього елемента. Від цинкового циліндра першого елемента й вугільного стрижня третього виведено дві жерстяні пластинки, які є полюсами батареї: перша — негативним, друга — позитивним.

Під час роботи гальванічних елементів витрачаються електроди і розчин, тому через деякий

час їх необхідно заміняти новими. Хімічні процеси в гальванічних елементах необоротні. В акумуляторах використовується оборотність хімічних процесів.

Щоб отримати найпростіший акумулятор, наллємо в склянку розчин сульфатної (сірчаної) кислоти. Опустимо в розчин два однакових свинцевих електроди, поверхні яких покриті плюмбум(ІІ) оксидом. Підключимо до електродів джерело струму (мал. 77) і пропустимо через розчин сірчаної кислоти протягом деякого часу струм.

Замість джерела струму включимо в коло прилад, який реєструє наявність у колі струму — гальванометр. Стрілка гальванометра відхиляється, отже, пристрій став джерелом струму, акумулятор зарядився. Струм у колі швидко припиняється. Щоб у колі тривав струм, акумулятор знову потрібно зарядити.

Що відбувається під час зарядження акумулятора?

На пластині, сполученій з негативним полюсом батареї — катоді, при пропусканні струму через акумулятор з розчину сірчаної кислоти виділяється

водень, який відновлює плюмбум(ІІ) оксид в чистий свинець. На аноді ж акумулятора виділяється кисень, який окиснює плюмбум(ІІ) оксид у плюмбум(ІУ) оксид. Між анодом і катодом виникає різниця електричних полів, яка і спричиняє струм у колі. Акумулятор зарядиться, коли катод стане чистим свинцем, а анод буде вкритим плюмбум(ІУ) оксидом. Розгляньте кислотний акумулятор (мал. 78 a). Y ньому пластини з шпомбум(ІУ) оксиду (мал. 78 б) (1) з’єднані з позитивним полюсом акумулятора, а пластини з чистого свинцю (2) — з негативним полюсом.

Під час роботи акумулятора «позитивна» пластина (плюмбум(ІУ) оксид) відновлюється воднем, а «негативна» пластина (свинець) окиснюється киснем. Як тільки обидві пластини стануть однаковими,

о

акумулятор перестане давати струм. Його знову треба зарядити. При новому заряджанні позитивна пластина буде окиснюватися в плюмбум(ІУ) оксид, негативна — відновлюватися в чистий свинець і т. д.

Зараз великого поширення набули лужні акумулятори. У цих акумуляторах електролітом є 20?% водний розчин лугу (КОН). Пластини цих акумуляторів складаються зі стальних ґрат з кишенями. У позитивних пластин вони заповнюються масою з нікель(ІІІ) гідратом; у негативних — з губчатого кадмію. Пластини вставляються в стальну посудину зі стальною кришкою. Принцип дії акумуляторів однаковий — вони спочатку накопичують електричну енергію, а потім її віддають.

Акумулятори знаходять найрізноманітніше застосування. Так, наприклад, батареї акумуляторів живлять струмом двигуни підводних човнів під час їх підводного плавання, використовуються в автомобілі для живлення електричних приладів за відсутності руху. Акумулятори широко застосовуються під час різних лабораторних дослідів.

Гальванічні елементи та акумулятори — це хімічні джерела струму. Принцип їх дії заснований на перетворенні енергії хімічної взаємодії в енергію електричного струму.

1. Наведіть приклади використання гальванічних елементів та акумуляторів. 2. Які перетворення енергії відбуваються всередині джерела струму? 3. Яка будова гальванічного елемента? 4. Який електрод в елементі Вольта є позитивним, який — негативним? 5. Які є акумулятори? 6. Який принцип дії акумулятора?

? 1. Розберіть спрацьовану батарейку від кишенькового ліхтарика. Охарактеризуйте будову складових частин батарейки. 2. Який вид енергії використовується в електричному акумуляторі? 3. Чому незнімні протези зубів не можна виготовляти з різних металів, наприклад, коронки або передні зуби з золота, а задні — з нержавіючої сталі?

Вивчення гальванічного елемента 1. Виготовте найпростіший гальванічний елемент. У розчин кухонної солі (на 100 мл води 2—3 мг солі) занурте два однакових електроди, спочатку вугільні, потім мідні. До електродів підключіть гальванометр. Переконайтеся, що у колі зібраного елемента струм відсутній.

Потім у розчин занурюйте різні електроди, перебираючи комбінації з цинку, міді і вугілля. Кожного разу вмикайте в коло гальванометр і визначайте наявність електричного струму.

2. Спробуйте використати для виготовлення гальванічного елемента овочі і фрукти (картоплину, буряк, яблуко), вколовши у них два провідника з різних металів.

Луїджі Гальвані і Алессандро Вольта У 1780 р. професор анатомії і медицини Болонського університету Луїджі Гальвані

оповістив учений світ про те, що лапки препарованої жаби здригаються від дією електричного струму.

Незабаром професор відкрив ще більш дивне явище: лапка жаби, підвішеної на мідному гачку, здригалася, коли гачок і лапка дотикались до залізної пластинки.

Розгадку цього явища дав італійський фізик Алессандро Вольта (1745—1827). Він зрозумів, що внаслідок контакту різнорідних металів народжується електрика. Склавши стовпчик з мідних і цинкових кружків і переклавши їх кружками із тканини, змоченими сірчаною кислотою, Вольта створив джерело електричного струму.

Ім’ям Вольта названа одиниця електричної напруги — вольт.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз