Elektrický proud – řízený pohyb nabitých částic v elektrickém poli.
Nabité částice mohou být elektrony nebo ionty (nabité atomy).
Atom, který ztratil jeden nebo více elektronů, získává kladný náboj. – Anion (kladný ion).
Atom, který získal jeden nebo více elektronů, získává záporný náboj. – Kation (záporný iont).
Ionty jako pohyblivé nabité částice jsou považovány v kapalinách a plynech.
V kovech jsou nosiče náboje volné elektrony jako záporně nabité částice.
U polovodičů uvažujeme pohyb (pohyb) záporně nabitých elektronů od jednoho atomu k druhému a v důsledku toho pohyb mezi atomy vzniklých kladně nabitých vakancí – děr.
Pro směr elektrického proudu směr pohybu kladných nábojů se běžně předpokládá. Toto pravidlo bylo zavedeno dávno před studiem elektronu a zachovalo se dodnes. Podobně se určuje síla elektrického pole pro kladný zkušební náboj.
Na každé jedno nabití q v elektrickém poli intenzity E síla působí F = qE, který pohybuje nábojem ve směru vektoru této síly.
Obrázek ukazuje, že vektor síly F– = -qEpůsobící na negativní náboj -q, směřuje ve směru opačném k vektoru intenzity pole jako součin vektoru E na zápornou hodnotu. Proto záporně nabité elektrony, které jsou nosiči náboje v kovových vodičích, mají ve skutečnosti směr pohybu opačný k vektoru intenzity pole a obecně akceptovanému směru elektrického proudu.
Množství nabití Q u1d XNUMX přívěsek se v čase pohyboval napříč průřezem vodiče t = 1 sekunda, určená velikostí proudu I u1d XNUMX ampér z poměru:
Současný poměr I u1d XNUMX ampér ve vodiči k jeho průřezové ploše S = 1 m 2 určí proudovou hustotu j u1d 2 A / m XNUMX:
Práce A u1d XNUMX Joule vynaložený na přepravu náboje Q = 1 Coulomb z bodu 1 do bodu 2 určí hodnotu elektrického napětí U = 1 volt jako rozdíl potenciálu φ1 и φ2 mezi těmito body z výpočtu:
U = A/Q = φ1 – φ2
Elektrický proud může být stejnosměrný nebo střídavý.
Stejnosměrný proud je elektrický proud, jehož směr a velikost se s časem nemění.
Střídavý proud je elektrický proud, jehož velikost a směr se v čase mění.
Již v roce 1826 německý fyzik Georg Ohm objevil důležitý zákon elektřiny, který určuje kvantitativní vztah mezi elektrickým proudem a vlastnostmi vodiče, které charakterizují jejich schopnost odolávat elektrickému proudu.
Tyto vlastnosti se následně staly známými jako elektrický odpor, označovaný písmenem R a měřeno v ohmech na počest objevitele.
Ohmův zákon v moderní interpretaci klasického poměru U/R určuje velikost elektrického proudu ve vodiči na základě napětí U na koncích tohoto vodiče a jeho odporu R:
Elektrický proud ve vodičích
Vodiče obsahují volné nosiče náboje, které se vlivem elektrického pole pohybují a vytvářejí elektrický proud.
V kovových vodičích jsou nosiči náboje volné elektrony.
S nárůstem teploty chaotický tepelný pohyb atomů brání usměrněnému pohybu elektronů a zvyšuje se odpor vodiče.
Když se ochladí a teplota má tendenci k absolutní nule, když se tepelný pohyb zastaví, odpor kovu má tendenci k nule.
Elektrický proud v kapalinách (elektrolytech) existuje jako řízený pohyb nabitých atomů (iontů), které vznikají v procesu elektrolytické disociace.
Ionty se pohybují směrem k elektrodám opačného znaménka a jsou neutralizovány a usazují se na nich. – Elektrolýza.
Anionty jsou kladné ionty. Přesouvají se k záporné elektrodě – katodě.
Kationty jsou záporné ionty. Přesouvají se ke kladné elektrodě – anodě.
Faradayovy zákony elektrolýzy určují hmotnost látky uvolněné na elektrodách.
Při zahřívání se odpor elektrolytu snižuje v důsledku zvýšení počtu molekul rozložených na ionty.
Elektrický proud v plynech – plazma. Elektrický náboj nesou kladné nebo záporné ionty a volné elektrony, které vznikají působením záření.
Ve vakuu je elektrický proud, jako tok elektronů od katody k anodě. Používá se v katodových zařízeních – lampách.
Elektrický proud v polovodičích
Polovodiče zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky z hlediska jejich měrného odporu.
Za významný rozdíl mezi polovodiči a kovy lze považovat závislost jejich měrného odporu na teplotě.
S klesající teplotou odpor kovů klesá, u polovodičů naopak roste.
Vzhledem k tomu, že teplota směřuje k absolutní nule, kovy mají tendenci stát se supravodiči a polovodiče mají tendenci stát se izolanty.
Faktem je, že v absolutní nule budou elektrony v polovodičích zaneprázdněny vytvářením kovalentní vazby mezi atomy krystalové mřížky a v ideálním případě nebudou žádné volné elektrony.
Se zvýšením teploty mohou některé z valenčních elektronů přijmout energii dostatečnou k rozbití kovalentních vazeb a v krystalu se objeví volné elektrony a v bodech zlomu se vytvoří volná místa, která se nazývají díry.
Prázdné místo může obsadit valenční elektron ze sousedního páru a díra se přesune na nové místo v krystalu.
Když se volný elektron setká s dírou, obnoví se elektronová vazba mezi atomy polovodiče a dojde k opačnému procesu – rekombinaci.
Páry elektron-díra se mohou objevit a rekombinovat, když je polovodič osvětlen v důsledku energie elektromagnetického záření.
V nepřítomnosti elektrického pole se elektrony a díry účastní chaotického tepelného pohybu.
V elektrickém poli se uspořádaného pohybu účastní nejen vzniklé volné elektrony, ale také díry, které jsou považovány za kladně nabité částice. Aktuální I v polovodiči se skládá z elektroniky In a díra Ip proudy.
Mezi polovodiče patří takové chemické prvky jako germanium, křemík, selen, telur, arsen atd. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík.
Elektřina je nyní běžně definována jako „elektrické náboje a související elektromagnetická pole“. Samotná existence elektrických nábojů je odhalena jejich silným působením na jiné náboje. Prostor kolem jakéhokoli náboje má zvláštní vlastnosti: působí v něm elektrické síly, které se projeví, když jsou do tohoto prostoru vneseny další náboje. Takový prostor je silové elektrické pole.
Zatímco náboje jsou stacionární, prostor mezi nimi má vlastnosti elektrické (elektrostatické) pole. Ale když se náboje pohnou, pak a magnetické pole. Uvažujeme odděleně vlastnosti elektrického a magnetického pole, ale ve skutečnosti jsou elektrické procesy vždy spojeny s existencí elektromagnetického pole.
Nejmenší elektrické náboje jsou součástí atomu. Atom je nejmenší část chemického prvku, která je nositelem jeho chemických vlastností. Atom je velmi složitý systém. Jeho hmota je většinou soustředěna v jádru. Elektricky nabité elementární částice obíhají kolem nich po určitých drahách – elektrony.
Gravitační síly udržují planety obíhající kolem Slunce na jejich drahách a elektrony jsou přitahovány k jádru atomu elektrickými silami. Ze zkušenosti je známo, že se přitahují pouze opačné náboje. V důsledku toho musí mít náboje atomového jádra a elektronů různá znaménka. Z historických důvodů je obvyklé považovat jaderný náboj za kladný a náboje elektronů za záporné.
Četné experimenty ukázaly, že elektrony atomů libovolného prvku mají stejný elektrický náboj a stejnou hmotnost. Elektronový náboj je přitom elementární, tedy nejmenší možný elektrický náboj.
Je obvyklé rozlišovat mezi elektrony umístěnými na vnitřních drahách atomu a na vnějších drahách. Vnitřní elektrony jsou relativně pevně drženy na svých drahách vnitroatomovými silami. Ale vnější elektrony mohou být relativně snadno odděleny od atomu a zůstat po nějakou dobu volné nebo být připojeny k jinému atomu. Chemické a elektrické vlastnosti atomu jsou určeny elektrony na jeho vnějších drahách.
Množství kladného náboje na jádře atomu určuje, zda atom patří ke konkrétnímu chemickému prvku. Atom (nebo molekula) je elektricky neutrální, pokud se součet záporných nábojů na elektronech rovná kladnému náboji na jádře. Ale atom, který ztratil jeden nebo více elektronů, se stává kladně nabitým kvůli nadměrnému kladnému náboji jádra. Může se pohybovat pod vlivem elektrických sil (přitahovat nebo odpuzovat). Takový atom je kladný iont. Atom, který zachytil přebytečné elektrony, se stává záporný iont.
Nosičem kladného náboje v jádře atomu je proton. Jedná se o elementární částici, která slouží jako jádro atomu vodíku. Kladný náboj protonu se číselně rovná zápornému náboji elektronu, ale hmotnost protonu je 1836krát větší než hmotnost elektronu. Jádra atomů kromě protonů obsahují i neutrony – částice, které nemají elektrický náboj. Hmotnost neutronu je 1838krát větší než hmotnost elektronu.
Ze tří elementárních částic, které tvoří atomy, má tedy elektrický náboj pouze elektron a proton. Ale z nich se uvnitř látky mohou snadno pohybovat pouze záporně nabité elektrony a kladné náboje se za normálních podmínek mohou pohybovat pouze ve formě těžkých iontů, tj. transportujících atomy látky.
Uspořádaný pohyb elektrických nábojů, tedy pohyb mající převládající směr v prostoru, tvoří elektrický proud. Částice, jejichž pohyb vytváří elektrický proud – Nosiče proudu jsou ve většině případů elektrony a mnohem méně často – ionty.
S přihlédnutím k určité nepřesnosti lze proud definovat jako směrový pohyb elektrických nábojů. Nosiče proudu se mohou v látce pohybovat více či méně volně.
Průvodci se nazývají látky, které relativně dobře vedou proud. Všechny kovy jsou vodiče; stříbro, měď a hliník jsou zvláště dobré vodiče.
Vodivost kovů se vysvětluje tím, že se v nich některé vnější elektrony odštěpují od atomů. Pozitivní zážitky vzniklé v důsledku ztráty těchto elektronů jsou vázány do krystalové mřížky – pevné (iontové) kostry, v jejíchž prostorech jsou volné elektrony ve formě jakéhosi elektronového plynu.
Nejmenší vnější elektrické pole vytváří v kovu proud, to znamená, že nutí volné elektrony, aby se mísily ve směru elektrických sil, které na ně působí. Kovy se vyznačují poklesem vodivosti s rostoucí teplotou.
Polovodiče vedou elektrický proud mnohem hůře než vodiče. Polovodiče zahrnují velmi velké množství látek a jejich vlastnosti jsou velmi rozmanité. Charakteristická pro polovodiče je elektronová vodivost (tedy proud v nich vzniká, stejně jako v kovech, směrovým pohybem volných elektronů – nikoliv iontů) a na rozdíl od kovů nárůst vodivosti s rostoucí teplotou. Obecně se polovodiče také vyznačují silnou závislostí jejich vodivosti na vnějších vlivech – ozáření, tlaku atp.
Dielektrika (izolátory) prakticky nevedou proud. Vnější elektrické pole způsobuje polarizaci atomů, molekul nebo iontů dielektrik, tj. posunutí působením vnějšího pole elasticky vázaných nábojů, které tvoří atom nebo molekulu dielektrika. Počet volných elektronů v dielektriku je velmi malý.
Je nemožné určit pevné hranice mezi vodiči, polovodiči a dielektriky. V elektrických zařízeních poskytují vodiče cestu pro pohyb elektrických nábojů a pro správné usměrnění tohoto pohybu je zapotřebí dielektrika.
Elektrický proud vzniká vlivem neelektrostatických sil na náboje, nazývaných vnější síly. Vytvářejí ve vodiči elektrické pole, které nutí kladné náboje k pohybu ve směru sil pole a záporné náboje – elektrony – v opačném směru.
Je užitečné objasnit myšlenku translačního pohybu elektronů v kovech. Volné elektrony jsou ve stavu náhodného pohybu v prostoru mezi atomy, za opačného směru tepelného pohybu molekul. Tepelný stav tělesa je určen vzájemnými srážkami molekul a srážkami elektronů s molekulami.
Elektron se sráží s molekulami a mění směr svého pohybu, ale postupně se stále pohybuje vpřed a popisuje velmi složitou křivku. Dlouhodobý pohyb nabitých částic v jednom konkrétním směru, superponovaný na jejich náhodný pohyb v různých směrech, se nazývá jejich drift. Elektrický proud v kovech je tedy podle moderních názorů driftem nabitých částic.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
