Φορείς ηλεκτρικού ρεύματος

Ο ηλεκτρισμός σήμερα ορίζεται συνήθως ως «ηλεκτρικά φορτία και συναφή ηλεκτρομαγνητικά πεδία». Η ίδια η ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων αποκαλύπτεται από την ισχυρή δράση τους σε άλλα φορτία. Ο χώρος γύρω από κάθε φορτίο έχει ειδικές ιδιότητες: ενεργούν σε αυτόν ηλεκτρικές δυνάμεις, οι οποίες εκδηλώνονται όταν άλλα φορτία εισάγονται σε αυτόν τον χώρο. Είναι τέτοιος χώρος δύναμη ηλεκτρικού πεδίου.

Ενώ τα φορτία είναι ακίνητα, ο χώρος μεταξύ τους έχει ιδιότητες ηλεκτρικό (ηλεκτροστατικό) πεδίο… Αλλά όταν τα φορτία κινούνται, τότε υπάρχουν και γύρω τους μαγνητικό πεδίο… Θεωρούμε τις ιδιότητες του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου χωριστά, αλλά στην πραγματικότητα οι ηλεκτρικές διεργασίες σχετίζονται πάντα με την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Τα μικρότερα ηλεκτρικά φορτία περιλαμβάνονται ως εξαρτήματα στο άτομο... Ένα άτομο είναι το μικρότερο μέρος ενός χημικού στοιχείου που φέρει τις χημικές του ιδιότητες. Ένα άτομο είναι ένα πολύ περίπλοκο σύστημα. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του συγκεντρώνεται στον πυρήνα. Τα ηλεκτρικά φορτισμένα στοιχειώδη σωματίδια περιστρέφονται γύρω από το τελευταίο σε ορισμένες τροχιές — ηλεκτρόνια.

Οι βαρυτικές δυνάμεις κρατούν τους πλανήτες που κινούνται γύρω από τον Ήλιο σε τροχιές και τα ηλεκτρόνια έλκονται στον πυρήνα του ατόμου από ηλεκτρικές δυνάμεις. Είναι γνωστό από την εμπειρία ότι μόνο αντίθετα φορτία ελκύονται μεταξύ τους. Επομένως, τα φορτία στον πυρήνα του ατόμου και των ηλεκτρονίων πρέπει να έχουν διαφορετικό πρόσημο. Για ιστορικούς λόγους, συνηθίζεται να θεωρούμε το φορτίο του πυρήνα ως θετικό και τα φορτία των ηλεκτρονίων ως αρνητικά.

Πολυάριθμα πειράματα έχουν δείξει ότι τα ηλεκτρόνια των ατόμων κάθε στοιχείου έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο και την ίδια μάζα. Ταυτόχρονα, το ηλεκτρονικό φορτίο είναι στοιχειώδες, δηλαδή το μικρότερο δυνατό ηλεκτρικό φορτίο.

Είναι σύνηθες να γίνεται διάκριση μεταξύ των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στις εσωτερικές τροχιές του ατόμου και στις εξωτερικές τροχιές. Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια συγκρατούνται σχετικά σφιχτά στις τροχιές τους από ενδοατομικές δυνάμεις. Αλλά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια μπορούν σχετικά εύκολα να αποκολληθούν από το άτομο και να παραμείνουν ελεύθερα για λίγο ή να προσκολληθούν σε άλλο άτομο. Οι χημικές και ηλεκτρικές ιδιότητες ενός ατόμου καθορίζονται από τα ηλεκτρόνια στις εξωτερικές τροχιές του.

Το μέγεθος του θετικού φορτίου στον πυρήνα του ατόμου καθορίζει εάν το άτομο ανήκει σε ένα συγκεκριμένο χημικό στοιχείο. Ένα άτομο (ή μόριο) είναι ηλεκτρικά ουδέτερο εφόσον το άθροισμα των αρνητικών φορτίων στα ηλεκτρόνια ισούται με το θετικό φορτίο στον πυρήνα. Αλλά ένα άτομο που έχει χάσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια γίνεται θετικά φορτισμένο λόγω του υπερβολικού θετικού φορτίου στον πυρήνα. Μπορεί να κινηθεί υπό την επίδραση ηλεκτρικών δυνάμεων (ελκυστικών ή απωστικών). Ένα τέτοιο άτομο είναι θετικό ιόν… Ένα άτομο που έχει συλλάβει περίσσεια ηλεκτρονίων γίνεται αρνητικό ιόν.

Ο φορέας θετικού φορτίου στον πυρήνα ενός ατόμου είναι πρωτόνιο… Είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που χρησιμεύει ως ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου. Το θετικό φορτίο του πρωτονίου είναι αριθμητικά ίσο με το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου, αλλά η μάζα του πρωτονίου είναι 1836 φορές η μάζα του ηλεκτρονίου. Οι πυρήνες των ατόμων, εκτός από τα πρωτόνια, περιέχουν και νετρόνια — σωματίδια που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Η μάζα ενός νετρονίου είναι 1838 φορές η μάζα ενός ηλεκτρονίου.

Έτσι, από τα τρία στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν τα άτομα, μόνο το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο έχουν ηλεκτρικά φορτία.Αλλά από αυτά, μόνο τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μπορούν εύκολα να κινηθούν μέσα στην ουσία και τα θετικά φορτία υπό κανονικές συνθήκες μπορούν να κινηθούν μόνο στην μορφή βαρέων ιόντων, δηλαδή μεταφορά των ατόμων της ουσίας.

Σχηματίζεται η διατεταγμένη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, δηλαδή μια κίνηση που έχει κυρίαρχη κατεύθυνση στο χώρο ηλεκτρική ενέργεια… Σωματίδια των οποίων η κίνηση δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα — Οι φορείς ρεύματος στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ηλεκτρόνια και πολύ λιγότερο συχνά ιόντα.

Επιτρέποντας κάποια ανακρίβεια, είναι δυνατό να οριστεί το ρεύμα ως η κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων. Οι τρέχοντες φορείς μπορούν να κινούνται περισσότερο ή λιγότερο ελεύθερα στην ουσία.

Από καλώδια ονομάζονται ουσίες που μεταφέρουν σχετικά καλά το ρεύμα. Όλα τα μέταλλα είναι αγωγοί, ειδικά ο άργυρος, ο χαλκός και το αλουμίνιο.

Αγωγιμότητα μετάλλων εξηγείται από το γεγονός ότι σε αυτά κάποια από τα εξωτερικά ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από τα άτομα. Τα θετικά πειράματα που προκύπτουν από την απώλεια αυτών των ηλεκτρονίων συνδέονται σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα - έναν στερεό (ιονικό) σκελετό, στους χώρους του οποίου υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια με τη μορφή ενός είδους αερίου ηλεκτρονίων.

Το μικρότερο εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα ρεύμα στο μέταλλο, αναγκάζει δηλαδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να αναμειχθούν προς την κατεύθυνση των ηλεκτρικών δυνάμεων που ασκούν πάνω τους. Τα μέταλλα χαρακτηρίζονται από μείωση της αγωγιμότητας με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Ημιαγωγοί μεταδίδουν ηλεκτρικό ρεύμα πολύ χειρότερα από τα καλώδια. Ένας πολύ μεγάλος αριθμός ουσιών ανήκει στον αριθμό των ημιαγωγών και οι ιδιότητές τους είναι πολύ διαφορετικές. Η ηλεκτρονική αγωγιμότητα είναι χαρακτηριστική των ημιαγωγών (δηλαδή, το ρεύμα σε αυτούς δημιουργείται, όπως και στα μέταλλα, από την κατευθυνόμενη κίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων - όχι ιόντων) και, σε αντίθεση με τα μέταλλα, αύξηση της αγωγιμότητας με την αύξηση της θερμοκρασίας. Γενικά, οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται επίσης από μια ισχυρή εξάρτηση της αγωγιμότητάς τους από εξωτερικές επιδράσεις - ακτινοβολία, πίεση κ.λπ.

Διηλεκτρικά (μονωτικά) πρακτικά δεν μεταφέρουν ρεύμα. Ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί nπόλωση ατόμων, μορίων ή ιόντων διηλεκτρικώνμετατόπιση υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου των ελαστικά δεσμευμένων φορτίων που συνθέτουν ένα άτομο ή ένα διηλεκτρικό μόριο. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων στα διηλεκτρικά είναι πολύ μικρός.

Δεν μπορείτε να καθορίσετε σκληρά όρια μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και διηλεκτρικών. Στις ηλεκτρικές συσκευές, τα καλώδια χρησιμεύουν ως διαδρομή για την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων και χρειάζονται διηλεκτρικά για να κατευθύνουν σωστά αυτή την κίνηση.

Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται λόγω της δράσης σε φορτία δυνάμεων μη ηλεκτροστατικής προέλευσης, που ονομάζονται εξωτερικές δυνάμεις.Δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο στο σύρμα, το οποίο αναγκάζει τα θετικά φορτία να κινούνται προς την κατεύθυνση των δυνάμεων του πεδίου και τα αρνητικά φορτία, τα ηλεκτρόνια, προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Είναι χρήσιμο να διευκρινιστεί η έννοια της μεταφορικής κίνησης των ηλεκτρονίων στα μέταλλα. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε κατάσταση τυχαίας κίνησης στον χώρο μεταξύ των ατόμων, στην αντίστροφη θερμική κίνηση των μορίων. Η θερμική κατάσταση του σώματος προκαλείται από συγκρούσεις μορίων μεταξύ τους και από συγκρούσεις ηλεκτρονίων με μόρια.

Το ηλεκτρόνιο συγκρούεται με μόρια και αλλάζει την κατεύθυνση της κίνησής του, αλλά σταδιακά συνεχίζει να κινείται προς τα εμπρός, περιγράφοντας μια πολύ περίπλοκη καμπύλη. Η μακροχρόνια κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, που υπερτίθεται στη χαοτική τους κίνηση προς διαφορετικές κατευθύνσεις, ονομάζεται ολίσθησή τους. Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα, σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις, είναι μια μετατόπιση φορτισμένων σωματιδίων.