Электрический ток

Природа электрического тока

Просто об электрическом токе. Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц - носителей электрического заряда. Такое движение может происходить в металлах, полупроводниках, газах, а двигаться могут электроны или ионы.

elektricheskiy_tok_atom     elektricheskiy_tok_atom2

На первом рисунке видим положительно заряженный ион, а на втором - отрицательно заряженный. Электроны на внешних оболочках атома могут захватываться положительно заряженными атомами, после чего атомы становятся нейтральными.

Если, например, в куске металлической проволоки мы сможем создать избыток отрицательно заряженных атомов - немедленно электроны начнут захватываться положительно заряженными атомами, пока не установится равновесие и атомы не станут нейтральными.

В нашем случае перемещаются электроны и, повторим, такое движение заряженных частиц называется электрическим током.

elektricheskiy_tok_1

Электроны движутся от отрицательно заряженного конца проводника (полюса) к положительному, однако в физике условно считается, что движение происходит от «+» до «-» (так было договорено еще в те времена, когда неизвестна была истинная природа электрического тока).

dvizheniye_elektricheskikh_zaryadov

Электроны захватываются только соседними атомами и отдельно взятый электрон преодолевает только такой путь (в это время другой электрон перемещается к другому атома и т. д.), однако общее движение электронов в проводнике происходит чрезвычайно быстро (скорость распространения электрического тока приближается к 300 млн м / с).

Буквально проходит мгновение - в проводнике устанавливается электрическое равновесие и электрического тока больше нет.

Для того, чтобы ток протекал постоянно, нужно атомам отрицательно заряженного конца проводника непрерывно добавлять все новые и новые электроны, забирая их у атомов положительно заряженного конца проводника.

Для этого используется источник электрического тока, внутри которого электроны движутся от положительного полюса к отрицательному (источник тока отбирает электроны от атомов положительного полюса и создает избыток электронов у атомов отрицательного полюса). Вот почему в электрической цепи электроны движутся всегда в одном и том же направлении.

elektricheskiy_tok_napravleniye3

Кроме проводников, в которых перемещение электронов создает электрический ток, есть материалы, такие как германий, кремний и большое количество сплавов, которые называют полупроводниками. В полупроводниках упорядоченное движение заряженных частиц также возможно при определенных внешних воздействиях: повышении температуры, освещении.

В полупроводниках наблюдается так называемая «дырочная проводимость». В полупроводниках атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и в атоме алмаза, связан с двумя атомами), примерно так, как показано ниже.

elektricheskiy_tok_atom_poluprovodnik     elektricheskiy_tok_atom2_poluprovodnik     elektricheskiy_tok_atom3_poluprovodnik

Атомы полупроводников на внешней оболочке имеют слабо связаны электроны. Их называют валентными электронами. Связь между атомами полупроводников часто является ковалентной, т.е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.

Валентные электроны связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому количество электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в полупроводнике появляются свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно там, где разорвались связи, образуются вакантные места, не занятые электронами. Такие места назвали дырками.

elektricheskiy_tok_poluprovodnik2     elektricheskiy_tok_0

Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

Одновременно происходит обратный процесс - при встрече свободного электрона с дыркой, электрон занимает вакантное место.

Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. Отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то возникает упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток, в который вовлекаются не только свободные электроны, но и дырким - они ведут себя как положительно заряженные частицы.

Очень сильно электрическая проводимость полупроводников изменяется при внесении примесей других материалов (за счет появления большого количества свободных электронов и свободных дырок).

Русский
Пользовательский поиск