ناقلات التيار الكهربائي

تُعرَّف الكهرباء اليوم على أنها "الشحنات الكهربائية والمجالات الكهرومغناطيسية المرتبطة بها". يتم الكشف عن وجود الشحنات الكهربائية من خلال عملها القوي على الشحنات الأخرى. يتميز الفراغ حول كل شحنة بخصائص خاصة: تعمل القوى الكهربائية فيه ، والتي تتجلى عند إدخال شحنات أخرى في هذا الفضاء. إنها مساحة قوة المجال الكهربائي.

في حين أن الشحنات ثابتة ، فإن المسافة بينهما لها خصائص المجال الكهربائي (الكهروستاتيكي)... ولكن عندما تتحرك الشحنات ، فهناك أيضًا من حولهم حقل مغناطيسي... نحن نأخذ في الاعتبار خصائص المجال الكهربائي والمغناطيسي بشكل منفصل ، ولكن في الواقع ترتبط العمليات الكهربائية دائمًا بالوجود حقل كهرومغناطيسي.

يتم تضمين أصغر الشحنات الكهربائية كمكونات في ذرة... الذرة هي أصغر جزء من عنصر كيميائي يحمل خصائصه الكيميائية. الذرة نظام معقد للغاية. يتركز معظم كتلته في اللب. تدور الجسيمات الأولية المشحونة كهربائيًا حول الأخيرة في مدارات معينة - الإلكترونات.

تحافظ قوى الجاذبية على حركة الكواكب حول الشمس في مدارات ، وتنجذب الإلكترونات إلى نواة الذرة بواسطة القوى الكهربائية. من المعروف من التجربة أن الرسوم المتقابلة فقط تجذب بعضها البعض. لذلك ، يجب أن تكون الرسوم على نواة الذرة والإلكترونات مختلفة في الإشارة. لأسباب تاريخية ، من المعتاد التفكير في شحنة النواة على أنها موجبة وشحنات الإلكترونات سالبة.

أظهرت العديد من التجارب أن إلكترونات ذرات كل عنصر لها نفس الشحنة الكهربائية ونفس الكتلة. في الوقت نفسه ، تكون الشحنة الإلكترونية أولية ، أي أصغر شحنة كهربائية ممكنة.

من المعتاد التمييز بين الإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية للذرة وفي المدارات الخارجية. يتم الاحتفاظ بالإلكترونات الداخلية بإحكام نسبيًا في مداراتها بواسطة قوى داخل الذرة. لكن الإلكترونات الخارجية يمكن أن تنفصل بسهولة نسبية عن الذرة وتبقى حرة لفترة من الوقت أو تلتصق بذرة أخرى. تحدد الخصائص الكيميائية والكهربائية للذرة بواسطة الإلكترونات في مداراتها الخارجية.

يحدد مقدار الشحنة الموجبة على نواة الذرة ما إذا كانت الذرة تنتمي إلى عنصر كيميائي معين. تكون الذرة (أو الجزيء) محايدة كهربائيًا طالما أن مجموع الشحنات السالبة على الإلكترونات يساوي الشحنة الموجبة على النواة. لكن الذرة التي فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر تصبح موجبة الشحنة بسبب الشحنة الموجبة الزائدة على النواة. يمكن أن يتحرك تحت تأثير القوى الكهربائية (جذابة أو مثيرة للاشمئزاز). هذه الذرة أيون موجب... تصبح الذرة التي استحوذت على الإلكترونات الزائدة أيون سالب.

حاملة الشحنة الموجبة في نواة الذرة هي بروتون... إنه جسيم أولي يعمل كنواة ذرة الهيدروجين. الشحنة الموجبة للبروتون تساوي عدديًا الشحنة السالبة للإلكترون ، لكن كتلة البروتون تساوي 1836 ضعف كتلة الإلكترون. تحتوي نوى الذرات ، بالإضافة إلى البروتونات ، أيضًا على نيوترونات - جسيمات ليس لها شحنة كهربائية. تبلغ كتلة النيوترون 1838 ضعف كتلة الإلكترون.

وهكذا ، من بين الجسيمات الثلاثة الأولية التي تتكون منها الذرات ، فإن الإلكترون والبروتون فقط لهما شحنة كهربائية. ولكن من بين هذه الجسيمات ، يمكن للإلكترونات السالبة فقط التحرك بسهولة داخل المادة ، ويمكن للشحنات الموجبة في الظروف العادية أن تتحرك فقط في شكل من الأيونات الثقيلة ، أي نقل ذرات المادة.

تتشكل الحركة المنظمة للشحنات الكهربائية ، أي حركة لها اتجاه سائد في الفضاء كهرباء... الجسيمات التي تولد حركتها تيارًا كهربائيًا - الحاملات الحالية في معظم الحالات هي الإلكترونات وأقل من ذلك بكثير - الأيونات.

مع السماح ببعض عدم الدقة ، من الممكن تعريف التيار على أنه الحركة الموجهة للشحنات الكهربائية. يمكن للناقلات الحالية أن تتحرك بحرية أكثر أو أقل في المادة.

من الأسلاك تسمى المواد التي تجري التيار بشكل جيد نسبيًا. جميع المعادن موصلات ، وخاصة الفضة والنحاس والألمنيوم.

موصلية المعادن يفسر من خلال حقيقة أن بعض الإلكترونات الخارجية تنفصل عن الذرات. ترتبط التجارب الإيجابية الناتجة عن فقدان هذه الإلكترونات في شبكة بلورية - هيكل عظمي صلب (أيوني) ، في الفراغات التي توجد بها إلكترونات حرة على شكل نوع من غاز الإلكترون.

يخلق أصغر مجال كهربائي خارجي تيارًا في المعدن ، أي يجبر الإلكترونات الحرة على الاختلاط في اتجاه القوى الكهربائية المؤثرة عليها. تتميز المعادن انخفاض في التوصيل مع زيادة درجة الحرارة.

أشباه الموصلات توصيل التيار الكهربائي أسوأ بكثير من الأسلاك. ينتمي عدد كبير جدًا من المواد إلى عدد أشباه الموصلات وخصائصها شديدة التنوع. الموصلية الإلكترونية هي سمة من سمات أشباه الموصلات (أي أن التيار فيها ، كما هو الحال في المعادن ، عن طريق الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة - وليس الأيونات) ، وعلى عكس المعادن ، زيادة في الموصلية مع زيادة درجة الحرارة. بشكل عام ، تتميز أشباه الموصلات أيضًا باعتمادها القوي على الموصلية على التأثيرات الخارجية - الإشعاع والضغط وما إلى ذلك.

عوازل (عوازل) عمليا لا يجري الحالية. يتسبب المجال الكهربائي الخارجي في nاستقطاب الذرات أو الجزيئات أو أيونات المواد العازلةالإزاحة تحت تأثير مجال خارجي للشحنات المرتبطة بشكل مرن والتي تشكل ذرة أو جزيء عازل. عدد الإلكترونات الحرة في العوازل صغير جدًا.

لا يمكنك تحديد حدود صارمة بين الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية. في الأجهزة الكهربائية ، تعمل الأسلاك كمسار لحركة الشحنات الكهربائية ، وهناك حاجة إلى عوازل لتوجيه هذه الحركة بشكل صحيح.

يتم إنشاء التيار الكهربائي بسبب العمل على شحنات القوى ذات الأصل غير الكهروستاتيكي ، والتي تسمى القوى الخارجية.يخلقون مجالًا كهربائيًا في السلك ، مما يفرض على الشحنات الموجبة أن تتحرك في اتجاه قوى المجال ، والشحنات السالبة ، الإلكترونات ، في الاتجاه المعاكس.

من المفيد توضيح مفهوم الحركة الانتقالية للإلكترونات في المعادن. تكون الإلكترونات الحرة في حالة حركة عشوائية في الفراغ بين الذرات ، في الحركة الحرارية العكسية للجزيئات. تنتج الحالة الحرارية للجسم عن تصادم الجزيئات مع بعضها البعض وتصادم الإلكترونات مع الجزيئات.

يصطدم الإلكترون بالجزيئات ويغير اتجاه حركته ، لكنه يستمر بالتقدم تدريجيًا ، واصفًا منحنى شديد التعقيد. تسمى الحركة طويلة المدى للجسيمات المشحونة في اتجاه واحد محدد ، متراكبة على حركتها الفوضوية في اتجاهات مختلفة ، انجرافها. وبالتالي ، فإن التيار الكهربائي في المعادن ، وفقًا لوجهات النظر الحديثة ، هو انجراف للجسيمات المشحونة.