Bærere af elektrisk strøm

Elektricitet er i dag normalt defineret som "elektriske ladninger og tilhørende elektromagnetiske felter". Selve eksistensen af ​​elektriske ladninger afsløres af deres stærke virkning på andre ladninger. Rummet omkring hver ladning har særlige egenskaber: elektriske kræfter virker i det, som kommer til udtryk, når andre ladninger indføres i dette rum. Det er sådan et rum kraft elektrisk felt.

Mens ladningerne er stationære, har mellemrummet mellem dem egenskaber elektrisk (elektrostatisk) felt… Men når ladningerne bevæger sig, så er der også omkring dem magnetfelt… Vi betragter det elektriske og magnetiske felts egenskaber hver for sig, men i virkeligheden er elektriske processer altid relateret til eksistensen elektromagnetisk felt.

De mindste elektriske ladninger er inkluderet som komponenter i atom... Et atom er den mindste del af et kemisk grundstof, der bærer dets kemiske egenskaber. Et atom er et meget komplekst system. Det meste af dens masse er koncentreret i kernen. Elektrisk ladede elementarpartikler kredser omkring sidstnævnte i visse baner — elektroner.

Gravitationskræfter holder planeterne i bevægelse rundt om Solen i kredsløb, og elektroner tiltrækkes af atomets kerne af elektriske kræfter. Det er erfaringsmæssigt kendt, at kun modsatte ladninger tiltrækker hinanden. Derfor skal ladningerne på kernen af ​​atomet og elektronerne være forskellige i fortegn. Af historiske årsager er det sædvanligt at tænke på ladningen af ​​kernen som positiv og elektronernes ladninger som negative.

Talrige eksperimenter har vist, at elektronerne i atomerne i hvert grundstof har samme elektriske ladning og samme masse. Samtidig er den elektroniske ladning elementær, det vil sige den mindst mulige elektriske ladning.

Det er sædvanligt at skelne mellem elektronerne placeret i atomets indre baner og i de ydre baner. De indre elektroner holdes relativt tæt i deres baner af intraatomiske kræfter. Men de ydre elektroner kan relativt nemt løsne sig fra atomet og forblive fri i et stykke tid eller binde sig til et andet atom. Et atoms kemiske og elektriske egenskaber bestemmes af elektronerne i dets ydre baner.

Størrelsen af ​​den positive ladning på atomets kerne afgør, om atomet tilhører et bestemt kemisk grundstof. Et atom (eller molekyle) er elektrisk neutralt, så længe summen af ​​de negative ladninger på elektronerne er lig med den positive ladning på kernen. Men et atom, der har mistet en eller flere elektroner, bliver positivt ladet på grund af den overskydende positive ladning på kernen. Det kan bevæge sig under påvirkning af elektriske kræfter (attraktiv eller frastødende). Sådan et atom er positiv ion… Et atom, der har fanget overskydende elektroner bliver til negativ ion.

Den positive ladningsbærer i kernen af ​​et atom er proton… Det er en elementær partikel, der tjener som kernen i brintatomet. Protonens positive ladning er numerisk lig med elektronens negative ladning, men protonens masse er 1836 gange elektronens masse. Atomkernerne indeholder udover protoner også neutroner - partikler, der ikke har nogen elektrisk ladning. Massen af ​​en neutron er 1838 gange massen af ​​en elektron.

Af de tre elementarpartikler, der udgør atomer, er det således kun elektronen og protonen, der har elektriske ladninger.Men af ​​disse er det kun de negativt ladede elektroner, der let kan bevæge sig inde i stoffet, og de positive ladninger under normale forhold kun kan bevæge sig i form for tunge ioner, det vil sige overførsel af stoffets atomer.

Den ordnede bevægelse af elektriske ladninger dannes, det vil sige en bevægelse, der har en overvejende retning i rummet elektricitet… Partikler, hvis bevægelse skaber en elektrisk strøm — strømbærere i de fleste tilfælde er elektroner og meget sjældnere - ioner.

For at tillade en vis unøjagtighed er det muligt at definere strøm som den rettede bevægelse af elektriske ladninger. Nuværende bærere kan bevæge sig mere eller mindre frit i stoffet.

Fra ledninger kaldes stoffer, der leder strøm relativt godt. Alle metaller er ledere, især sølv, kobber og aluminium.

Ledningsevne af metaller forklares ved, at i dem er nogle af de ydre elektroner adskilt fra atomerne. De positive eksperimenter som følge af tabet af disse elektroner er forbundet i et krystalgitter - et fast (ionisk) skelet, i hvis rum der er frie elektroner i form af en slags elektrongas.

Det mindste ydre elektriske felt skaber en strøm i metallet, det vil sige tvinger de frie elektroner til at blande sig i retning af de elektriske kræfter, der virker på dem. Metaller er kendetegnet ved fald i ledningsevne med stigende temperatur.

Halvledere lede elektrisk strøm meget dårligere end ledninger. Et meget stort antal stoffer hører til antallet af halvledere, og deres egenskaber er meget forskellige. Elektronisk ledningsevne er karakteristisk for halvledere (det vil sige, at strømmen i dem skabes, som i metaller, ved den rettede bevægelse af frie elektroner - ikke ioner) og i modsætning til metaller en stigning i ledningsevnen med stigende temperatur. Generelt er halvledere også karakteriseret ved en stærk afhængighed af deres ledningsevne af eksterne påvirkninger - stråling, tryk osv.

Dielektrik (isolatorer) de leder praktisk talt ikke strøm. Et eksternt elektrisk felt forårsager npolarisering af atomer, molekyler eller ioner af dielektrikumforskydning under påvirkning af et eksternt felt af de elastisk bundne ladninger, der udgør et atom eller dielektrisk molekyle. Antallet af frie elektroner i dielektrikum er meget lille.

Du kan ikke angive hårde grænser mellem ledere, halvledere og dielektrikum. I elektriske enheder tjener ledninger som en vej til bevægelse af elektriske ladninger, og dielektrikum er nødvendige for at rette denne bevægelse korrekt.

Elektrisk strøm skabes på grund af virkningen på ladninger af kræfter af ikke-elektrostatisk oprindelse, kaldet eksterne kræfter.De skaber et elektrisk felt i ledningen, som tvinger de positive ladninger til at bevæge sig i retning af feltkræfterne, og de negative ladninger, elektronerne, i den modsatte retning.

Det er nyttigt at præcisere begrebet translationel bevægelse af elektroner i metaller. Frie elektroner er i en tilstand af tilfældig bevægelse i rummet mellem atomer, i omvendt termisk bevægelse af molekyler. Kroppens termiske tilstand er forårsaget af kollisioner af molekyler med hinanden og kollisioner af elektroner med molekyler.

Elektronen kolliderer med molekyler og ændrer retningen af ​​dens bevægelse, men fortsætter gradvist med at bevæge sig fremad og beskriver en meget kompleks kurve. Den langsigtede bevægelse af ladede partikler i en bestemt retning, overlejret på deres kaotiske bevægelse i forskellige retninger, kaldes deres drift. Således er den elektriske strøm i metaller ifølge moderne synspunkter en drift af ladede partikler.