Az elektromos áram hordozói

A villamos energiát ma általában "elektromos töltések és kapcsolódó elektromágneses mezők"ként határozzák meg. Az elektromos töltések létezését más töltésekre gyakorolt ​​erős hatásuk mutatja. Az egyes töltések körüli tér sajátos tulajdonságokkal rendelkezik: elektromos erők hatnak benne, amelyek akkor nyilvánulnak meg, amikor más töltések kerülnek ebbe a térbe. Ez egy ilyen tér erő elektromos tér.

Amíg a töltések álló helyzetben vannak, a köztük lévő térnek vannak tulajdonságai elektromos (elektrosztatikus) mező… De amikor a töltetek mozognak, akkor körülöttük is vannak mágneses mező… Az elektromos és a mágneses tér tulajdonságait külön vizsgáljuk, de a valóságban az elektromos folyamatok mindig a létezéssel függenek össze elektromágneses mező.

A legkisebb elektromos töltések alkatrészként szerepelnek benne atom... Az atom a kémiai elem legkisebb része, amely hordozza kémiai tulajdonságait. Az atom egy nagyon összetett rendszer. Tömegének nagy része a magban koncentrálódik. Ez utóbbi körül elektromosan töltött elemi részecskék keringenek bizonyos pályákon — elektronok.

A gravitációs erők a Nap körüli pályán tartják a bolygókat, az elektronokat pedig elektromos erők vonzzák az atommaghoz. Tapasztalatból ismert, hogy csak ellentétes töltések vonzzák egymást. Ezért az atommag és az elektronok töltéseinek különböző előjelűeknek kell lenniük. Történelmi okokból szokás az atommag töltését pozitívnak, az elektronok töltéseit negatívnak gondolni.

Számos kísérlet kimutatta, hogy az egyes elemek atomjainak elektronjai azonos elektromos töltéssel és tömeggel rendelkeznek. Ugyanakkor az elektronikus töltés elemi, vagyis a lehető legkisebb elektromos töltés.

Szokásos különbséget tenni az atom belső pályáján és a külső pályán elhelyezkedő elektronok között. A belső elektronokat az atomon belüli erők viszonylag szorosan tartják pályájukon. De a külső elektronok viszonylag könnyen leválhatnak az atomról, és egy ideig szabadon maradhatnak, vagy egy másik atomhoz kapcsolódhatnak. Egy atom kémiai és elektromos tulajdonságait a külső pályáján lévő elektronok határozzák meg.

Az atommag pozitív töltésének nagysága határozza meg, hogy az atom egy bizonyos kémiai elemhez tartozik-e. Egy atom (vagy molekula) elektromosan semleges mindaddig, amíg az elektronokon lévő negatív töltések összege megegyezik az atommag pozitív töltésével. De egy atom, amely elveszített egy vagy több elektront, pozitív töltésű lesz az atommag pozitív töltése miatt. Elektromos erők hatására mozoghat (vonzó vagy taszító). Ilyen atom az pozitív ion… Egy atom, amely felfogta a felesleges elektronokat, azzá válik negatív ion.

Az atommag pozitív töltéshordozója az proton… Ez egy elemi részecske, amely a hidrogénatom magjaként szolgál. A proton pozitív töltése számszerűen megegyezik az elektron negatív töltésével, de a proton tömege az elektron tömegének 1836-szorosa. Az atommagok a protonokon kívül neutronokat is tartalmaznak - olyan részecskéket, amelyeknek nincs elektromos töltése. A neutron tömege az elektron tömegének 1838-szorosa.

Így az atomokat alkotó három elemi részecske közül csak az elektronnak és a protonnak van elektromos töltése, ezek közül azonban csak a negatív töltésű elektronok tudnak könnyen mozogni az anyag belsejében, a pozitív töltések normál körülmények között csak az nehéz ionok formája, vagyis az anyag atomjainak átvitele.

Kialakul az elektromos töltések rendezett mozgása, vagyis olyan mozgás, amelynek a térben uralkodó iránya van elektromosság… Részecskék, amelyek mozgása elektromos áramot hoz létre – Az áramhordozók a legtöbb esetben elektronok és sokkal ritkábban ionok.

Némi pontatlanság megengedésével az áramot az elektromos töltések irányított mozgásaként határozhatjuk meg. Az áramhordozók többé-kevésbé szabadon mozoghatnak az anyagban.

A vezetékekből olyan anyagoknak nevezzük, amelyek viszonylag jól vezetik az áramot. Minden fém vezető, különösen az ezüst, a réz és az alumínium.

Fémek vezetőképessége azzal magyarázható, hogy bennük a külső elektronok egy része elválik az atomoktól. Az ezen elektronok elvesztéséből származó pozitív kísérletek egy kristályrácsban – egy szilárd (ionos) vázban – kapcsolódnak össze, amelynek tereiben szabad elektronok vannak egyfajta elektrongáz formájában.

A legkisebb külső elektromos tér áramot hoz létre a fémben, vagyis a szabad elektronokat a rájuk ható elektromos erők irányába keveredni kényszeríti. A fémekre jellemző a vezetőképesség csökkenése a hőmérséklet emelkedésével.

Félvezetők sokkal rosszabbul vezetik az elektromos áramot, mint a vezetékek. A félvezetők számához nagyon sok anyag tartozik, és tulajdonságaik igen változatosak. Az elektronikus vezetőképesség a félvezetőkre jellemző (vagyis a bennük lévő áramot, mint a fémekben, a szabad elektronok - nem ionok - irányított mozgása hozza létre), és a fémektől eltérően a vezetőképesség növekedése a hőmérséklet emelkedésével. Általában a félvezetőket az is jellemzi, hogy vezetőképességük erősen függ a külső hatásoktól - sugárzás, nyomás stb.

Dielektrikumok (szigetelők) gyakorlatilag nem vezetnek áramot. Külső elektromos tér hatására ndielektrikumok atomjainak, molekuláinak vagy ionjainak polarizációjaaz atomot vagy dielektromos molekulát alkotó rugalmasan kötött töltések külső mező hatására történő elmozdulása. A szabad elektronok száma a dielektrikumokban nagyon kicsi.

A vezetők, félvezetők és dielektrikumok között nem lehet kemény határvonalat megadni. Az elektromos eszközökben a vezetékek az elektromos töltések mozgásának útjaként szolgálnak, és ennek a mozgásnak a megfelelő irányításához dielektrikumok szükségesek.

Az elektromos áram a nem elektrosztatikus eredetű, külső erőknek nevezett erők töltésein keresztül jön létre.Elektromos teret hoznak létre a vezetékben, ami a pozitív töltéseket a térerők irányába, a negatív töltéseket, az elektronokat pedig az ellenkező irányba kényszeríti.

Célszerű tisztázni az elektronok transzlációs mozgásának fogalmát fémekben. A szabad elektronok véletlenszerű mozgásban vannak az atomok közötti térben, a molekulák fordított hőmozgásában. A test termikus állapotát a molekulák egymással való ütközése és az elektronok molekulákkal való ütközése okozza.

Az elektron ütközik a molekulákkal, és megváltoztatja mozgásának irányát, de fokozatosan tovább halad előre, és egy nagyon összetett görbét ír le. A töltött részecskék egy meghatározott irányban történő hosszú távú mozgását, amely egymásra épül a különböző irányú kaotikus mozgásukra, sodródásuknak nevezzük. Így a fémekben lévő elektromos áram a modern nézetek szerint töltött részecskék sodródása.