Как строение материалов определяет их способность передавать энергию?

Электрический ток по своей природе является упорядоченным или направленным движением частиц, которые имеют электрический заряд. Чтобы этот процесс стал возможным, необходимо выполнить два основных условия: в среде должны присутствовать свободные носители заряда, а на само вещество должно действовать электрическое поле. В зависимости от того, насколько легко частицы могут перемещаться внутри структуры, все материалы делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводники, пишет 24 Канал.

Смотрите также Химия Мирового океана: почему морская вода соленая, а речная пресная

Проводники

Металлы являются лучшими проводниками благодаря особому типу химической связи. В металлической решетке внешние электроны атомов не привязаны к конкретным ядрам и могут свободно мигрировать по всему объему материала. Ученые часто описывают это явление как "электронный газ" или "море электронов", в которое погружены положительно заряженные ионы. Концентрация таких свободных носителей в металлах колоссальная – она может достигать 1023 частиц на один кубический сантиметр. Именно это огромное количество подвижных электронов позволяет металлам мгновенно реагировать на электрическое поле.

Примечательно, что во время прохождения тока сами ионы металла остаются на месте, что было доказано еще в 1899 году экспериментом К. Рикке, который показал, что за длительное время прохождения тока через сжатые цилиндры из меди и алюминия атомы разных металлов не перемешались.

Лучшими проводниками среди металлов считаются серебро, медь и алюминий.

Изоляторы

Совсем другая ситуация наблюдается в изоляторах, таких как стекло, резина, фарфор или сухая древесина. В этих материалах электроны прочно удерживаются в пределах своих атомов или вовлечены в ковалентные связи, что делает их почти неподвижными.

Согласно теории энергетических зон, которая базируется на квантовой механике, в изоляторах существует большая "запретная зона" (энергетический разрыв) между валентной зоной, где находятся электроны, и зоной проводимости, куда они могли бы перейти для участия в движении тока. Поэтому при обычных условиях в диэлектриках почти нет свободных носителей заряда.

Полупроводники

Полупроводники занимают промежуточное место. У них запретная зона значительно уже, чем у изоляторов, что позволяет электронам перепрыгивать ее при получении дополнительной энергии от тепла или света. Это обуславливает интересную особенность: если у металлов сопротивление растет при нагревании из-за усиления вибраций ионной решетки, которые мешают движению электронов, то у полупроводников сопротивление при повышении температуры, наоборот, стремительно падает.

Как ведут себя жидкости?

Кроме твердых тел, ток могут проводить и жидкости, в частности электролиты. Однако механизм здесь другой: заряд переносят не электроны, а ионы, имеющие положительный или отрицательный заряд.

Ион – это атом или группа атомов, которая имеет электрический заряд, потому что потеряла или присоединила один или несколько электронов, что нарушает их нейтральность. Положительно заряженные ионы (катионы) образуются при потере электронов, а отрицательно заряженные (анионы) - при присоединении

В ионизированных газах, которые называют плазмой, проводимость обеспечивается одновременно и свободными электронами, и положительными ионами, что делает плазму чрезвычайно эффективным проводником, примером чего является молния.

Смотрите также Что такое плазма на самом деле и где она встречается в природе

Человек – тоже проводник

Важно также понимать роль человеческого тела и окружающей среды. Поскольку мы состоим из веществ, содержащих растворы солей, человеческий организм является хорошим проводником, что требует строгого соблюдения правил безопасности при работе с электроприборами.