Электропроводность различных веществ определяется типом носителей тока и свойствами среды, в которой распространяется ток. Детальное рассмотрение механизма электропроводности возможно только на микроскопическом уровне, а следовательно, с помощью законов квантовой механики атомов и молекул.
Электропроводность проводников (металлов). Вольт-амперная характеристика металлов имеет типичный вид, соответствующий закону Ома I = U/R . Такая зависимость сохраняется в очень широком диапазоне температуры.
Температурная зависимость сопротивления. Для большинства чистых металлов удельное сопротивление линейно зависит от температуры:
(15.1)
Здесь r 0 — значение удельного сопротивления при некоторой выбранной температуре T 0 , a — температурный коэффициент сопротивления, [ a ] = K -1 . Численно этот коэффициент для всех металлов порядка 10 -3 К -1 . Иными словами, сопротивление металлов слабо зависит от температуры практически во всем диапазоне допустимых температур от точки плавления до сверхнизких.
У некоторых металлов (например, ртуть, олово) сопротивление внезапно падает до нуля при охлаждении ниже некоторой критической температуры Т с . Это явление получило название сверхпроводимости . Типичные температуры перехода в сверхпроводящее состояние у металлов очень малы (< 20 к).
Электрический ток в жидкостях. Водные растворы электролитов проводят ток. Носителями тока являются ионы электролита , образовавшиеся в результате разложения молекул электролита в водном растворе. В растворе электролита непрерывно конкурируют процессы диссоциации и обратной рекомбинации ионов в молекулы электролита. При заданной температуре устанавливается динамическое равновесие и среднее число ионов обоих знаков не изменяется. Степень диссоциации (доля молекул электролита, распавшихся на ионы) растет с ростом температуры, поэтому в нагретом электролите концентрация положительных и отрицательных ионов увеличивается.
Закон электролиза. Ионы — проводники тока в растворе электролита — попадают на электроды и, отдавая, либо получая электроны, превращаются в атомы соответствующих веществ. Процесс выделения вещества на электродах при пропускании тока через раствор электролита называется электролизом .
Пусть m 0i — масса отдельного иона, q 0i = ne — его заряд ( n — валентность иона, е — величина элементарного заряда), а N i — число ионов, попавших на электрод за время D t . Полный заряд, прошедший за это время через электролит, равен D q = I D t , поэтому
Масса вещества, выделившаяся на электроде, равна
(15.2)
Коэффициент
носит название электрохимического эквивалента . Эта величина различна для разных веществ.
Полученная формула (15.2) представляет основной закон электролиза (закон Фарадея):
Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству заряда D q , протекшему через раствор электролита. Постоянная величина Q F = eN A = 96500 Кл называется постоянной Фарадея. При прохождении количества заряда Q F на электроде выделяется количество вещества, равное массе одного моля вещества, деленной на валентность иона-носителя.