Dragers van elektrische stroom

Elektriciteit wordt tegenwoordig meestal gedefinieerd als "elektrische ladingen en bijbehorende elektromagnetische velden". Het bestaan ​​zelf van elektrische ladingen blijkt uit hun sterke werking op andere ladingen. De ruimte rond elke lading heeft speciale eigenschappen: er werken elektrische krachten in, die zich manifesteren wanneer andere ladingen in deze ruimte worden geïntroduceerd. Het is zo'n ruimte kracht elektrisch veld.

Hoewel de ladingen stationair zijn, heeft de ruimte ertussen eigenschappen elektrisch (elektrostatisch) veld… Maar als de ladingen bewegen, dan zijn er ook om hen heen magnetisch veld… We beschouwen de elektrische en magnetische veldeigenschappen afzonderlijk, maar in werkelijkheid zijn elektrische processen altijd gerelateerd aan het bestaan elektromagnetisch veld.

De kleinste elektrische ladingen zijn opgenomen als componenten in atoom... Een atoom is het kleinste deel van een chemisch element dat zijn chemische eigenschappen draagt. Een atoom is een zeer complex systeem. Het grootste deel van zijn massa is geconcentreerd in de kern. Elektrisch geladen elementaire deeltjes draaien om deze laatste in bepaalde banen — elektronen.

Zwaartekracht zorgt ervoor dat de planeten in banen rond de zon bewegen en elektronen worden door elektrische krachten aangetrokken tot de kern van het atoom. Uit ervaring is bekend dat alleen tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Daarom moeten de ladingen op de kern van het atoom en de elektronen verschillend van teken zijn. Om historische redenen is het gebruikelijk om de lading van de kern als positief te beschouwen en de lading van de elektronen als negatief.

Talrijke experimenten hebben aangetoond dat de elektronen van de atomen van elk element dezelfde elektrische lading en dezelfde massa hebben. Tegelijkertijd is de elektronische lading elementair, dat wil zeggen de kleinst mogelijke elektrische lading.

Het is gebruikelijk om onderscheid te maken tussen de elektronen die zich in de binnenste banen van het atoom bevinden en in de buitenste banen. De binnenste elektronen worden relatief stevig in hun baan gehouden door intraatomaire krachten. Maar de buitenste elektronen kunnen zich relatief gemakkelijk losmaken van het atoom en een tijdje vrij blijven of zich hechten aan een ander atoom. De chemische en elektrische eigenschappen van een atoom worden bepaald door de elektronen in zijn buitenste banen.

De grootte van de positieve lading op de atoomkern bepaalt of het atoom tot een bepaald chemisch element behoort. Een atoom (of molecuul) is elektrisch neutraal zolang de som van de negatieve ladingen op de elektronen gelijk is aan de positieve lading op de kern. Maar een atoom dat een of meer elektronen heeft verloren, wordt positief geladen vanwege de overtollige positieve lading op de kern. Het kan bewegen onder invloed van elektrische krachten (aantrekkelijk of afstotend). Zo'n atoom is positief ion… Een atoom dat overtollige elektronen heeft gevangen, wordt negatief ion.

De positieve ladingsdrager in de kern van een atoom is proton… Het is een elementair deeltje dat dient als de kern van het waterstofatoom. De positieve lading van het proton is numeriek gelijk aan de negatieve lading van het elektron, maar de massa van het proton is 1836 keer de massa van het elektron. De kernen van atomen bevatten, naast protonen, ook neutronen - deeltjes die geen elektrische lading hebben. De massa van een neutron is 1838 keer de massa van een elektron.

Dus van de drie elementaire deeltjes die atomen vormen, hebben alleen het elektron en het proton elektrische ladingen, maar hiervan kunnen alleen de negatief geladen elektronen gemakkelijk in de substantie bewegen, en de positieve ladingen kunnen zich onder normale omstandigheden alleen in de stof verplaatsen. vorm van zware ionen, dat wil zeggen overdracht van de atomen van de stof.

De geordende beweging van elektrische ladingen wordt gevormd, dat wil zeggen een beweging die een overheersende richting in de ruimte heeft elektriciteit… Deeltjes waarvan de beweging een elektrische stroom veroorzaakt — stroomdragers zijn in de meeste gevallen elektronen en veel minder vaak - ionen.

Rekening houdend met enige onnauwkeurigheid, is het mogelijk om stroom te definiëren als de gerichte beweging van elektrische ladingen. Huidige dragers kunnen zich min of meer vrij in de stof bewegen.

Van draden worden stoffen genoemd die stroom relatief goed geleiden. Alle metalen zijn geleiders, vooral zilver, koper en aluminium.

Geleidbaarheid van metalen wordt verklaard door het feit dat daarin enkele van de buitenste elektronen gescheiden zijn van de atomen. De positieve experimenten die het gevolg zijn van het verlies van deze elektronen zijn verbonden in een kristalrooster - een vast (ionisch) skelet, in de ruimten waarvan zich vrije elektronen bevinden in de vorm van een soort elektronengas.

Het kleinste externe elektrische veld creëert een stroom in het metaal, d.w.z. dwingt de vrije elektronen zich te mengen in de richting van de elektrische krachten die erop werken. Metalen worden gekenmerkt door afname geleidbaarheid bij toenemende temperatuur.

Halfgeleiders geleiden elektrische stroom veel slechter dan draden. Tot het aantal halfgeleiders behoort een zeer groot aantal stoffen en hun eigenschappen zijn zeer divers. Elektronische geleidbaarheid is kenmerkend voor halfgeleiders (dat wil zeggen, de stroom daarin wordt gecreëerd, zoals in metalen, door de gerichte beweging van vrije elektronen - geen ionen) en, in tegenstelling tot metalen, een toename van de geleidbaarheid bij toenemende temperatuur. Over het algemeen worden halfgeleiders ook gekenmerkt door een sterke afhankelijkheid van hun geleidbaarheid van externe invloeden - straling, druk, enz.

Diëlektrica (isolatoren) ze geleiden praktisch geen stroom. Een extern elektrisch veld veroorzaakt npolarisatie van atomen, moleculen of ionen van diëlektricaverplaatsing onder invloed van een extern veld van de elastisch gebonden ladingen waaruit een atoom of diëlektrisch molecuul bestaat. Het aantal vrije elektronen in diëlektrica is erg klein.

U kunt geen harde grenzen aangeven tussen geleiders, halfgeleiders en diëlektrica. In elektrische apparaten dienen draden als een pad voor de beweging van elektrische ladingen, en diëlektrica zijn nodig om deze beweging goed te sturen.

Elektrische stroom wordt gecreëerd door de werking op ladingen van krachten van niet-elektrostatische oorsprong, externe krachten genoemd.Ze creëren een elektrisch veld in de draad, dat de positieve ladingen dwingt om in de richting van de veldkrachten te bewegen, en de negatieve ladingen, de elektronen, in de tegenovergestelde richting.

Het is nuttig om het concept van translatiebeweging van elektronen in metalen te verduidelijken. Vrije elektronen bevinden zich in een staat van willekeurige beweging in de ruimte tussen atomen, in de omgekeerde thermische beweging van moleculen. De thermische toestand van het lichaam wordt veroorzaakt door botsingen van moleculen met elkaar en botsingen van elektronen met moleculen.

Het elektron botst met moleculen en verandert de richting van zijn beweging, maar blijft geleidelijk vooruit bewegen, wat een zeer complexe curve beschrijft. De langdurige beweging van geladen deeltjes in één specifieke richting, bovenop hun chaotische beweging in verschillende richtingen, wordt hun drift genoemd. De elektrische stroom in metalen is dus volgens moderne opvattingen een drift van geladen deeltjes.