Nośniki prądu elektrycznego

Dzisiejsza energia elektryczna jest zwykle definiowana jako „ładunki elektryczne i związane z nimi pola elektromagnetyczne”. O istnieniu ładunków elektrycznych świadczy ich silne oddziaływanie na inne ładunki. Przestrzeń wokół każdego ładunku ma szczególne właściwości: działają w niej siły elektryczne, które objawiają się, gdy do tej przestrzeni wprowadzane są inne ładunki. To taka przestrzeń pole elektryczne siły.

Podczas gdy ładunki są nieruchome, przestrzeń między nimi ma właściwości pole elektryczne (elektrostatyczne).… Ale kiedy ładunki się poruszają, to są też wokół nich pole magnetyczne… Właściwości pola elektrycznego i magnetycznego rozpatrujemy osobno, ale w rzeczywistości procesy elektryczne są zawsze związane z istnieniem pole elektromagnetyczne.

Najmniejsze ładunki elektryczne są zawarte jako składniki w atom... Atom to najmniejsza część pierwiastka chemicznego, która przenosi jego właściwości chemiczne. Atom to bardzo złożony system. Większość jego masy jest skoncentrowana w jądrze. Naładowane elektrycznie cząstki elementarne krążą wokół tych ostatnich po pewnych orbitach — elektrony.

Siły grawitacyjne utrzymują planety w ruchu wokół Słońca po orbitach, a elektrony są przyciągane do jądra atomu przez siły elektryczne. Wiadomo z doświadczenia, że ​​przyciągają się tylko przeciwne ładunki. Dlatego ładunki na jądrze atomu i elektronach muszą mieć różne znaki. Ze względów historycznych przyjęło się uważać ładunek jądra za dodatni, a ładunki elektronów za ujemny.

Liczne eksperymenty wykazały, że elektrony atomów każdego pierwiastka mają ten sam ładunek elektryczny i tę samą masę. Jednocześnie ładunek elektroniczny jest elementarny, to znaczy najmniejszy możliwy ładunek elektryczny.

Zwyczajowo rozróżnia się elektrony znajdujące się na wewnętrznych orbitach atomu i na zewnętrznych orbitach. Wewnętrzne elektrony są utrzymywane stosunkowo ciasno na swoich orbitach przez siły wewnątrzatomowe. Ale zewnętrzne elektrony mogą stosunkowo łatwo odłączyć się od atomu i pozostać wolne przez jakiś czas lub przyłączyć się do innego atomu. Właściwości chemiczne i elektryczne atomu są określone przez elektrony na jego zewnętrznych orbitach.

Wielkość ładunku dodatniego na jądrze atomu określa, czy atom należy do określonego pierwiastka chemicznego. Atom (lub cząsteczka) jest elektrycznie obojętny, o ile suma ładunków ujemnych na elektronach jest równa dodatniemu ładunkowi na jądrze. Ale atom, który stracił jeden lub więcej elektronów, zostaje naładowany dodatnio z powodu nadmiaru ładunku dodatniego na jądrze. Może poruszać się pod wpływem sił elektrycznych (przyciągających lub odpychających). Taki atom jest jon dodatni… Atom, który przechwycił nadmiar elektronów, staje się jon ujemny.

Nośnikiem ładunku dodatniego w jądrze atomu jest proton… Jest to cząstka elementarna, która służy jako jądro atomu wodoru. Dodatni ładunek protonu jest liczbowo równy ujemnemu ładunkowi elektronu, ale masa protonu jest 1836 razy większa od masy elektronu. Jądra atomów, oprócz protonów, zawierają również neutrony — cząstki, które nie mają ładunku elektrycznego. Masa neutronu jest 1838 razy większa od masy elektronu.

Tak więc z trzech cząstek elementarnych, z których składają się atomy, tylko elektron i proton mają ładunki elektryczne, ale tylko ujemnie naładowane elektrony mogą z łatwością poruszać się wewnątrz substancji, a ładunki dodatnie w normalnych warunkach mogą poruszać się tylko w postać ciężkich jonów, czyli przeniesienie atomów substancji.

Powstaje uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, to znaczy ruch, który ma dominujący kierunek w przestrzeni Elektryczność… Cząsteczki, których ruch wytwarza prąd elektryczny — nośnikami prądu w większości przypadków są elektrony, a znacznie rzadziej — jony.

Pomijając pewną niedokładność, można zdefiniować prąd jako ukierunkowany ruch ładunków elektrycznych. Obecni nośniki mogą poruszać się mniej lub bardziej swobodnie w substancji.

Z drutów nazywane są substancjami, które stosunkowo dobrze przewodzą prąd. Wszystkie metale są przewodnikami, zwłaszcza srebro, miedź i aluminium.

Przewodnictwo metali tłumaczy się tym, że w nich niektóre zewnętrzne elektrony są oddzielone od atomów. Pozytywne eksperymenty wynikające z utraty tych elektronów są połączone w sieć krystaliczną — stały (jonowy) szkielet, w którego przestrzeniach znajdują się wolne elektrony w postaci swego rodzaju gazu elektronowego.

Najmniejsze zewnętrzne pole elektryczne wytwarza prąd w metalu, to znaczy zmusza swobodne elektrony do mieszania się w kierunku działających na nie sił elektrycznych. Metale charakteryzują się spadek przewodnictwa wraz ze wzrostem temperatury.

Półprzewodniki przewodzą prąd elektryczny znacznie gorzej niż przewody. Do półprzewodników należy bardzo duża liczba substancji, a ich właściwości są bardzo zróżnicowane. Przewodnictwo elektronowe jest charakterystyczne dla półprzewodników (to znaczy prąd w nich powstaje, podobnie jak w metalach, przez ukierunkowany ruch swobodnych elektronów - nie jonów) i, w przeciwieństwie do metali, wzrost przewodnictwa wraz ze wzrostem temperatury. Ogólnie rzecz biorąc, półprzewodniki charakteryzują się również silną zależnością przewodnictwa od wpływów zewnętrznych — promieniowania, ciśnienia itp.

Dielektryki (izolatory) praktycznie nie przewodzą prądu. Zewnętrzne pole elektryczne powoduje npolaryzacja atomów, cząsteczek lub jonów dielektrykówprzemieszczenie pod działaniem pola zewnętrznego elastycznie związanych ładunków tworzących atom lub cząsteczkę dielektryczną. Liczba elektronów swobodnych w dielektrykach jest bardzo mała.

Nie można określić twardych granic między przewodnikami, półprzewodnikami i dielektrykami. W urządzeniach elektrycznych przewody służą jako ścieżka ruchu ładunków elektrycznych, a dielektryki są potrzebne do odpowiedniego kierowania tym ruchem.

Prąd elektryczny powstaje w wyniku działania na ładunki sił pochodzenia nieelektrostatycznego, zwanych siłami zewnętrznymi.Tworzą w przewodzie pole elektryczne, które powoduje, że ładunki dodatnie poruszają się w kierunku działania sił pola, a ładunki ujemne, czyli elektrony, w przeciwnym kierunku.

Przydatne jest wyjaśnienie pojęcia ruchu translacyjnego elektronów w metalach. Swobodne elektrony znajdują się w stanie losowego ruchu w przestrzeni między atomami, w odwrotnym ruchu termicznym cząsteczek. Stan termiczny ciała jest spowodowany zderzeniami cząsteczek ze sobą oraz zderzeniami elektronów z cząsteczkami.

Elektron zderza się z cząsteczkami i zmienia kierunek swojego ruchu, ale stopniowo kontynuuje ruch do przodu, opisując bardzo złożoną krzywą. Długotrwały ruch naładowanych cząstek w jednym określonym kierunku, nałożony na ich chaotyczny ruch w różnych kierunkach, nazywany jest ich dryfem. Zatem prąd elektryczny w metalach, zgodnie ze współczesnymi poglądami, jest dryfem naładowanych cząstek.