Sähkövirran kantajat

Nykyään sähkö määritellään yleensä "sähkövarauksiksi ja niihin liittyviksi sähkömagneettisiksi kentiksi". Sähkövarausten olemassaolo paljastaa niiden voimakkaan vaikutuksen muihin varauksiin. Kunkin varauksen ympärillä olevalla avaruudella on erityisiä ominaisuuksia: siinä vaikuttavat sähkövoimat, jotka ilmenevät, kun tähän tilaan viedään muita varauksia. Se on sellainen tila voima sähkökenttä.

Kun varaukset ovat paikallaan, niiden välisellä tilalla on ominaisuuksia sähkö (sähköstaattinen) kenttä… Mutta kun panokset liikkuvat, niitä on myös niiden ympärillä magneettikenttä… Käsittelemme sähkö- ja magneettikentän ominaisuuksia erikseen, mutta todellisuudessa sähköprosessit liittyvät aina olemassaoloon elektromagneettinen kenttä.

Pienimmät sähkövaraukset sisältyvät komponentteihin atomi... Atomi on kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka kantaa sen kemiallisia ominaisuuksia. Atomi on hyvin monimutkainen järjestelmä. Suurin osa sen massasta on keskittynyt ytimeen. Sähköisesti varautuneet alkuainehiukkaset pyörivät jälkimmäisen ympäri tietyillä kiertoradoilla - elektroneja.

Gravitaatiovoimat pitävät planeetat liikkumassa Auringon ympäri kiertoradalla, ja elektronit vetäytyvät atomin ytimeen sähkövoimilla. Kokemuksesta tiedetään, että vain vastakkaiset varaukset houkuttelevat toisiaan. Siksi atomin ja elektronien ytimen varausten on oltava eri etumerkillä. Historiallisista syistä on tapana ajatella ytimen varausta positiivisena ja elektronien varausta negatiivisena.

Lukuisat kokeet ovat osoittaneet, että kunkin alkuaineen atomien elektroneilla on sama sähkövaraus ja sama massa. Samalla elektronivaraus on alkeisvaraus, eli pienin mahdollinen sähkövaraus.

On tapana erottaa toisistaan ​​atomin sisä- ja ulkoradoilla sijaitsevat elektronit. Atomin sisäiset voimat pitävät sisäiset elektronit suhteellisen tiukasti kiertoradoillaan. Mutta ulommat elektronit voivat suhteellisen helposti irrota atomista ja pysyä vapaina jonkin aikaa tai kiinnittyä toiseen atomiin. Atomin kemialliset ja sähköiset ominaisuudet määräytyvät sen ulkoratojen elektronien avulla.

Atomin ytimen positiivisen varauksen suuruus määrää sen, kuuluuko atomi tiettyyn kemialliseen alkuaineeseen. Atomi (tai molekyyli) on sähköisesti neutraali niin kauan kuin elektronien negatiivisten varausten summa on yhtä suuri kuin ytimen positiivinen varaus. Mutta atomi, joka on menettänyt yhden tai useamman elektronin, varautuu positiivisesti ytimen ylimääräisen positiivisen varauksen vuoksi. Se voi liikkua sähkövoimien (houkuttelevien tai hylkivien) vaikutuksen alaisena. Tällainen atomi on positiivinen ioni… Ylimääräisiä elektroneja vanginnut atomi muuttuu negatiivinen ioni.

Positiivinen varauksen kantaja atomin ytimessä on protoni… Se on alkuainehiukkanen, joka toimii vetyatomin ytimenä. Protonin positiivinen varaus on numeerisesti yhtä suuri kuin elektronin negatiivinen varaus, mutta protonin massa on 1836 kertaa elektronin massa. Atomien ytimet sisältävät protonien lisäksi myös neutroneja - hiukkasia, joilla ei ole sähkövarausta. Neutronin massa on 1838 kertaa elektronin massa.

Siten kolmesta atomin muodostavasta alkuainehiukkasesta vain elektronilla ja protonilla on sähkövarauksia, mutta näistä vain negatiivisesti varautuneet elektronit voivat helposti liikkua aineen sisällä ja positiiviset varaukset voivat normaaleissa olosuhteissa liikkua vain aineen sisällä. raskaiden ionien muoto, eli aineen atomien siirto.

Muodostuu sähkövarausten järjestetty liike, eli liike, jolla on vallitseva suunta avaruudessa sähköä… Hiukkaset, joiden liike synnyttää sähkövirran – Virran kantajat ovat useimmissa tapauksissa elektroneja ja paljon harvemmin ioneja.

Tietyn epätarkkuuden salliessa virta voidaan määritellä sähkövarausten suunnatuksi liikkeeksi. Virtakantajat voivat liikkua enemmän tai vähemmän vapaasti aineessa.

langoista kutsutaan aineiksi, jotka johtavat suhteellisen hyvin virtaa. Kaikki metallit ovat johtimia, erityisesti hopea, kupari ja alumiini.

Metallien johtavuus selittyy sillä, että niissä osa ulkoisista elektroneista on erotettu atomeista. Näiden elektronien häviämisestä johtuvat positiiviset kokeet yhdistetään kidehilaan - kiinteään (ioniseen) luurankoon, jonka tiloissa on vapaita elektroneja eräänlaisen elektronikaasun muodossa.

Pienin ulkoinen sähkökenttä synnyttää metalliin virran, eli pakottaa vapaat elektronit sekoittumaan niihin vaikuttavien sähkövoimien suuntaan. Metalleille on ominaista johtavuuden heikkeneminen lämpötilan noustessa.

Puolijohteet johtavat sähkövirtaa paljon huonommin kuin johdot. Puolijohteisiin kuuluu erittäin suuri määrä aineita ja niiden ominaisuudet ovat hyvin erilaisia. Puolijohteille on ominaista elektroninen johtavuus (eli niissä oleva virta syntyy, kuten metalleissa, vapaiden elektronien - ei ionien - suunnatulla liikkeellä) ja, toisin kuin metallit, johtavuuden kasvu lämpötilan noustessa. Yleensä puolijohteille on ominaista myös niiden johtavuuden voimakas riippuvuus ulkoisista vaikutuksista - säteilystä, paineesta jne.

Dielektriset (eristimet) ne eivät käytännössä johda virtaa. Ulkoinen sähkökenttä aiheuttaa neristeiden atomien, molekyylien tai ionien polarisaatioatomin tai dielektrisen molekyylin muodostavien elastisesti sitoutuneiden varausten siirtyminen ulkoisen kentän vaikutuksesta. Vapaiden elektronien määrä eristeissä on hyvin pieni.

Et voi määrittää kovia rajoja johtimien, puolijohteiden ja eristeiden välille. Sähkölaitteissa johdot toimivat väylänä sähkövarausten liikkeelle, ja tämän liikkeen ohjaamiseen tarvitaan eristeitä.

Sähkövirta syntyy ei-sähköstaattista alkuperää olevien voimien, joita kutsutaan ulkoisiksi voimiksi, vaikutuksesta.Ne luovat johtoon sähkökentän, joka pakottaa positiiviset varaukset liikkumaan kenttävoimien suuntaan ja negatiiviset varaukset, elektronit, vastakkaiseen suuntaan.

On hyödyllistä selventää elektronien translaatioliikkeen käsitettä metalleissa. Vapaat elektronit ovat satunnaisessa liikkeessä atomien välisessä tilassa, molekyylien käänteisessä lämpöliikkeessä. Kehon lämpötila aiheutuu molekyylien törmäyksistä keskenään ja elektronien törmäyksistä molekyylien kanssa.

Elektroni törmää molekyyleihin ja muuttaa liikkeensä suuntaa, mutta jatkaa vähitellen eteenpäin liikkumista, mikä kuvaa hyvin monimutkaista käyrää. Varautuneiden hiukkasten pitkäkestoista liikettä yhteen tiettyyn suuntaan, päällekkäin niiden kaoottisen liikkeen kanssa eri suuntiin, kutsutaan niiden ajautumiseksi. Näin ollen metallien sähkövirta on nykyaikaisten näkemysten mukaan varautuneiden hiukkasten ajautuminen.