Nositelji električne struje

Električna energija se danas obično definira kao "električni naboji i povezana elektromagnetska polja". Samo postojanje električnih naboja otkriva se njihovim snažnim djelovanjem na druge naboje. Prostor oko svakog naboja ima posebna svojstva: u njemu djeluju električne sile koje se očituju kada se drugi naboji unesu u taj prostor. To je takav prostor sila električno polje.

Dok naboji miruju, prostor između njih ima svojstva električno (elektrostatičko) polje… Ali kad se naboji kreću, onda ih ima i oko njih magnetsko polje... Svojstva električnog i magnetskog polja razmatramo odvojeno, ali u stvarnosti su električni procesi uvijek povezani s postojanjem elektromagnetsko polje.

Najmanji električni naboji uključeni su kao komponente u atom... Atom je najmanji dio kemijskog elementa koji nosi njegova kemijska svojstva. Atom je vrlo složen sustav. Većina njegove mase koncentrirana je u jezgri. Električni nabijene elementarne čestice kruže oko potonjih u određenim orbitama — elektroni.

Gravitacijske sile održavaju kretanje planeta oko Sunca u orbitama, a elektrone privlači jezgra atoma električnim silama. Iz iskustva je poznato da se samo suprotni naboji međusobno privlače. Stoga naboji jezgre atoma i elektrona moraju biti različitog predznaka. Zbog povijesnih razloga, uobičajeno je smatrati da je naboj jezgre pozitivan, a da su naboji elektrona negativni.

Brojni pokusi pokazali su da elektroni atoma svakog elementa imaju isti električni naboj i istu masu. Pritom je elektronički naboj elementaran, odnosno najmanji mogući električni naboj.

Uobičajeno je razlikovati elektrone koji se nalaze u unutarnjim orbitama atoma i u vanjskim orbitama. Unutarnje elektrone unutaratomske sile drže relativno čvrsto u svojim orbitama. Ali vanjski elektroni mogu se relativno lako odvojiti od atoma i ostati slobodni neko vrijeme ili se pričvrstiti za drugi atom. Kemijska i električna svojstva atoma određena su elektronima u njegovim vanjskim orbitama.

Veličina pozitivnog naboja na jezgri atoma određuje pripada li atom određenom kemijskom elementu. Atom (ili molekula) je električki neutralan sve dok je zbroj negativnih naboja na elektronima jednak pozitivnom naboju na jezgri. Ali atom koji je izgubio jedan ili više elektrona postaje pozitivno nabijen zbog viška pozitivnog naboja na jezgri. Može se kretati pod utjecajem električnih sila (privlačnih ili odbojnih). Takav atom je pozitivni ion… Atom koji je uhvatio višak elektrona postaje negativni ion.

Nositelj pozitivnog naboja u jezgri atoma je proton… To je elementarna čestica koja služi kao jezgra atoma vodika. Pozitivni naboj protona brojčano je jednak negativnom naboju elektrona, ali je masa protona 1836 puta veća od mase elektrona. Jezgre atoma, osim protona, sadrže i neutrone — čestice koje nemaju električni naboj. Masa neutrona je 1838 puta veća od mase elektrona.

Dakle, od tri elementarne čestice koje čine atome, samo elektron i proton imaju električni naboj. Ali od njih se samo negativno nabijeni elektroni mogu lako kretati unutar tvari, a pozitivni se naboji u normalnim uvjetima mogu kretati samo u obliku teških iona, odnosno prijenos atoma tvari.

Formira se uređeno kretanje električnih naboja, odnosno kretanje koje ima prevladavajući smjer u prostoru struja… Čestice čije kretanje stvara električnu struju — nositelji struje u većini slučajeva su elektroni, a mnogo rjeđe - ioni.

Dopuštajući određenu netočnost, moguće je definirati struju kao usmjereno kretanje električnih naboja. Nositelji struje mogu se više ili manje slobodno kretati u tvari.

Od žica nazivaju se tvari koje relativno dobro provode struju. Svi metali su vodiči, a posebno srebro, bakar i aluminij.

Vodljivost metala se objašnjava činjenicom da su u njima neki od vanjskih elektrona odvojeni od atoma. Pozitivni pokusi koji proizlaze iz gubitka tih elektrona povezani su u kristalnu rešetku — čvrsti (ionski) kostur, u čijim se prostorima nalaze slobodni elektroni u obliku neke vrste elektronskog plina.

Najmanje vanjsko električno polje stvara struju u metalu, odnosno tjera slobodne elektrone da se miješaju u smjeru električnih sila koje na njih djeluju. Za metale je karakteristično smanjenje vodljivosti s porastom temperature.

Poluvodiči provode električnu struju mnogo lošije od žica. Vrlo velik broj tvari spada u poluvodiče i njihova su svojstva vrlo raznolika. Za poluvodiče je karakteristična elektronička vodljivost (odnosno struja u njima nastaje, kao i u metalima, usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona - ne iona) i, za razliku od metala, povećanje vodljivosti s porastom temperature. Općenito, poluvodiče također karakterizira jaka ovisnost njihove vodljivosti o vanjskim utjecajima - zračenju, tlaku itd.

Dielektrici (izolatori) praktički ne provode struju. Vanjsko električno polje uzrokuje npolarizacija atoma, molekula ili iona dielektrikapomicanje pod djelovanjem vanjskog polja elastično vezanih naboja koji čine atom ili dielektričnu molekulu. Broj slobodnih elektrona u dielektricima je vrlo mali.

Ne možete odrediti čvrste granice između vodiča, poluvodiča i dielektrika. U električnim uređajima žice služe kao put za kretanje električnih naboja, a za pravilno usmjeravanje tog kretanja potrebni su dielektrici.

Električna struja nastaje djelovanjem na naboje sila neelektrostatskog podrijetla, koje se nazivaju vanjskim silama.Oni stvaraju električno polje u žici, što prisiljava pozitivne naboje da se kreću u smjeru silnica polja, a negativne naboje, elektrone, u suprotnom smjeru.

Korisno je razjasniti koncept translatornog gibanja elektrona u metalima. Slobodni elektroni su u stanju nasumičnog kretanja u prostoru između atoma, u obrnutom toplinskom kretanju molekula. Toplinsko stanje tijela nastaje međusobnim sudarima molekula i sudarima elektrona s molekulama.

Elektron se sudara s molekulama i mijenja smjer svog kretanja, ali se postupno nastavlja kretati naprijed, opisujući vrlo složenu krivulju. Dugotrajno kretanje nabijenih čestica u jednom određenom smjeru, superponirano njihovom kaotičnom kretanju u različitim smjerovima, naziva se njihovim driftom. Dakle, električna struja u metalima, prema suvremenim pogledima, je drift nabijenih čestica.