Studiul conducției electrice în metale, electroliți, gaze și vid.
În metale, atomii cedează electronii de valență rețelei cristaline, formând un gaz de electroni liberi care se mișcă haotic printre ionii pozitivi ficși. Purtătorii de sarcină sunt deci exclusiv electronii, iar ionii metalici rămân pe loc, oscilând în jurul nodurilor rețelei. Aceasta este prima deosebire de reținut față de electroliți și gaze.
În absența câmpului electric, mișcarea electronilor este dezordonată, cu viteze de ordinul a 10⁵ m/s, iar curentul rezultant este nul. Aplicarea unei tensiuni suprapune peste agitația termică o mișcare ordonată foarte lentă, cu viteza de drift de ordinul milimetrilor pe secundă. Aici apare o întrebare care derutează: dacă electronii se mișcă atât de încet, de ce becul se aprinde instantaneu? Pentru că semnalul electric, adică perturbația câmpului electric, se propagă prin conductor cu o viteză apropiată de cea a luminii, punând simultan în mișcare electronii de pe tot traseul.
Rezistivitatea metalelor crește cu temperatura, după legea aproximativă:
ρ = ρ₀·(1 + α·Δt)
Explicația fizică: numărul de electroni liberi nu se schimbă, dar amplitudinea oscilațiilor ionilor crește, ciocnirile devin mai frecvente și deplasarea ordonată este împiedicată. Compară cu semiconductoarele, unde rezistivitatea scade cu temperatura, pentru că acolo crește numărul purtătorilor.
La temperaturi foarte joase, unele metale și aliaje trec brusc în starea de supraconductibilitate: rezistivitatea devine riguros nulă, iar curentul se poate menține fără sursă. Fenomenul este folosit la electromagneții din aparatele de rezonanță magnetică și din marile acceleratoare de particule.
În metale, trecerea curentului nu produce transformări chimice; efectul principal este cel termic, descris de legea lui Joule.
Electroliții sunt soluțiile de acizi, baze și săruri, precum și sărurile topite. La dizolvare, moleculele se rup în ioni prin disociere electrolitică, un proces care se produce spontan, sub acțiunea moleculelor de apă, nu din cauza curentului electric — o precizare cerută frecvent, pentru că mulți elevi cred că sursa produce ionii.
Aici purtătorii de sarcină sunt ionii pozitivi și negativi, deci conducția este bipolară și, spre deosebire de metale, este însoțită de transport de substanță. Sub acțiunea câmpului, cationii se îndreaptă spre catod (electrodul negativ), iar anionii spre anod (electrodul pozitiv), unde se neutralizează și se depun sau se degajă.
Electroliza este ansamblul acestor transformări chimice produse de trecerea curentului prin electrolit. Ea este descrisă de legile lui Faraday:
Combinate, ele dau formula folosită la probleme:
m = A·I·t/(n·F)
Cele trei capcane numerice sunt mereu aceleași: timpul trebuie exprimat în secunde, masa molară în kilograme pe mol dacă vrei rezultatul în kilograme, iar valența n trebuie citită corect din formula ionului (2 pentru cupru din sulfat de cupru, 3 pentru aluminiu).
Rezistivitatea electroliților scade cu temperatura, ca la semiconductoare, pentru că disocierea se intensifică și crește mobilitatea ionilor.
Aplicații: galvanizarea (nichelare, cromare, argintare), galvanoplastia, rafinarea electrolitică a cuprului, obținerea aluminiului din bauxită și a clorului și sodei prin electroliza saramurii, precum și acumulatorii.
În condiții obișnuite, gazele sunt formate din molecule neutre și sunt izolatoare. Ele devin conductoare doar dacă apar purtători de sarcină, printr-un proces numit ionizare, produs de un agent ionizant extern: temperatură ridicată, radiații ultraviolete, raze X, radiații nucleare sau un câmp electric foarte intens.
În gazul ionizat, purtătorii sunt de trei feluri: ioni pozitivi, ioni negativi și electroni. Aceasta este deosebirea față de metale (doar electroni) și față de electroliți (doar ioni), o comparație care se cere adesea sub formă de item de asociere.
Se disting două regimuri:
Caracteristica curent-tensiune a gazului este neliniară: la tensiuni mici curentul crește, apoi apare un palier de saturație (toți ionii produși ajung la electrozi), iar peste tensiunea de străpungere curentul crește brusc, prin ionizare în avalanșă.
Forme de descărcare de reținut: descărcarea în scântei (fulgerul este exemplul natural, cu tensiuni de sute de milioane de volți), arcul electric (temperaturi de mii de grade, folosit la sudură și la cuptoarele electrice), descărcarea luminescentă la presiune scăzută (tuburile de neon, lămpile fluorescente, reclamele luminoase) și descărcarea corona la vârfuri ascuțite, principiul paratrăsnetului.
Culoarea luminii emise depinde de natura gazului, pentru că provine din dezexcitarea atomilor: roșu-portocaliu la neon, albastru-violet la argon, alb-albăstrui la vapori de mercur.
Gazul puternic ionizat, cvasineutru în ansamblu, formează plasma, considerată a patra stare de agregare a materiei.
În vid nu există purtători de sarcină, deci curentul nu poate trece decât dacă îi introducem noi. Metoda clasică este emisia termoelectronică (efectul Edison): un filament metalic încălzit până la incandescență eliberează electroni, care au căpătat prin agitație termică energie suficientă pentru a învinge lucrul de extracție.
Aici se cere o distincție fină: emisia termoelectronică este provocată de căldură, în timp ce emisia fotoelectronică este provocată de lumină. Ambele scot electroni din metal, dar agentul e diferit.
Dioda cu vid are doi electrozi într-un tub vidat: catodul încălzit, care emite electroni, și anodul, care îi colectează. Curentul trece doar când anodul este pozitiv față de catod; dacă polaritatea se inversează, electronii sunt respinși înapoi și curentul se anulează. Rezultă conducția unilaterală, aceeași funcție de redresare pe care astăzi o îndeplinesc diodele semiconductoare, mult mai mici și mai eficiente.
Tubul catodic este aplicația cea mai importantă din programă. El conține un tun electronic (filament, catod, electrod de comandă și anozi de accelerare) care produce un fascicul îngust de electroni, un sistem de deflexie electrostatic (plăci) sau magnetic (bobine) care deviază fasciculul, și un ecran fluorescent, care emite lumină în punctul de impact.
Deoarece electronii au masă foarte mică, fasciculul poate fi deviat extrem de rapid, ceea ce a făcut din tubul catodic inima osciloscopului, a televizoarelor și a monitoarelor clasice.
Relația de calcul cerută la probleme leagă tensiunea de accelerare de viteza electronului: din e·U = m·v²/2 rezultă v = √(2eU/m).
Efectul termoelectric (Seebeck), distinct de cel termoelectronic, constă în apariția unei tensiuni electromotoare într-un circuit format din două metale diferite, ale căror suduri se află la temperaturi diferite. Pe el se bazează termocuplul, folosit la măsurarea temperaturilor înalte.
Subiectele de examen cer adesea o comparație explicită între cele patru medii. Merită reținută pe patru criterii.
Natura purtătorilor:
Transportul de substanță: are loc doar la electroliți și, parțial, la gaze; în metale substanța rămâne pe loc, se deplasează doar electronii.
Dependența rezistivității de temperatură:
Valabilitatea legii lui Ohm: ea se aplică bine metalelor și electroliților, dar nu gazelor și nici tuburilor cu vid, unde caracteristica este puternic neliniară, cu palier de saturație.
O idee de sinteză care merită formulată: în toate mediile, condiția pentru existența curentului electric este aceeași — purtători de sarcină liberi și un câmp electric care să îi pună în mișcare ordonată. Ceea ce diferă este doar de unde provin acești purtători: din legăturile metalice, din disocierea moleculelor, din ionizarea gazului sau din emisia unui catod fierbinte.
Sensul convențional al curentului este, în toate cazurile, cel al deplasării sarcinilor pozitive, adică opus deplasării reale a electronilor. Este o convenție istorică, dar te poate costa un punct dacă o inversezi la desenul circuitului.