Електричний струм

Природа електричного струму

Просто про електричний струм. Електричним струмом називають упорядкований рух заряджених частинок - носіїв електричного заряду. Такий рух може відбуватись в металах, напівпровідниках, газах, а рухатись можуть електрони або іони.

elektrychnyy_strum_atom_0     elektrychnyy_strum_atom_2

На першому рисунку бачимо позитивно заряджений іон, а на другому – негативно заряджений. Електрони на зовнішніх оболонках атома можуть захоплюватись позитивно зарядженими атомами, після чого атоми стають нейтральними.

Якщо, для прикладу, у шматку металевого дроту ми зможемо створити надлишок негативно заряджених атомів – негайно електрони почнуть захоплюватись позитивно зарядженими атомами, допоки не встановиться рівновага і атоми не стануть нейтральними.

В даному випадку рухатимуться електрони і, повторимо, такий рух заряджених частинок називається електричним струмом.

elektrychnyy_strum_1

Реально електрони рухаються від негативно зарядженого кінця провідника (полюса) до позитивного, однак у фізиці умовно вважається, що рух відбувається від «+» до «—» (так було домовлено ще в ті часи, коли невідома була справжня природа електричного струму).

napryam_elektrychnyy_strum

Електрони захоплюються лише сусідніми атомами, і окремо взятий електрон долає лише такий шлях (в цей час інший електрон переміщується до іншого атома і т. д.), однак загальний рух електронів у провіднику відбувається надзвичайно швидко (швидкість поширення електричного струму наближається до 300 000 000 м/с).

Буквально минає мить – в провіднику встановлюється електрична рівновага і електричного струму більше немає.

Для того, аби струм протікав постійно, потрібно до атомів негативно зарядженого кінця провідника безперервно додавати все нові і нові електрони, забираючи їх у атомів позитивно зарядженого кінця провідника.

Для цього використовується джерело електричного струму, всередині якого електрони рухаються від позитивного полюса до негативного (джерело струму відбирає електрони від атомів позитивного полюса і створює надлишок електронів у атомів негативного полюса). Ось чому в електричному колі електрони рухаються завжди в одному і тому ж напрямку.

napryam2_elektrychnyy_strum

Крім провідників, у яких переміщення електронів створює електричний струм, є матеріали, такі як германій, кремній та велика кількість сплавів, котрі називають напівпровідниками. В напівпровідниках упорядкований рух заряджених частинок також можливий (при певних зовнішніх впливах: підвищенні температури, освітленні).

В напівпровідниках спостерігається так звана «діркова провідність». У напівпровідниках атоми встановлюють ковалентні зв'язки (тобто, один електрон в кристалі кремнію, як і в атомі алмазу, пов'язаний з двома атомами), приблизно так, як показано нижче.

elektrychnyy_strum_atom_napivprovidnyk     elektrychnyy_strum_atom2_napivprovidnyk     elektrychnyy_strum_atom3_napivprovidnyk

Атоми напівпровідників на зовнішній оболонці мають слабко зв'язані електрони. Їх називають валентними електронами. Зв'язок між атомами напівпровідників часто є ковалентним, тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожний валентний електрон належить двом атомам.

Валентні електрони пов'язані з атомами набагато сильніше, ніж у металах; тому кількість електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів.

При підвищенні температури деяка частина валентних електронів може одержати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді в напівпровіднику з’являються вільні електрони (електрони провідності). Одночасно там, де розірвались зв'язки, утворюються вакантні місця, не зайняті електронами. Такі місця назвали дірками.

elektrychnyy_strum_napivprovidnyk2     elektrychnyy_strum_napivprovidnyk3

Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце в кристалі. При заданій температурі напівпровідника за одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар.

Одночасно відбувається зворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою, електрон займає вакантне місце.

Електронно-діркові пари можуть народжуватися також при висвітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання. Під час відсутності електричного поля електрони провідності й дірки беруть участь у хаотичному тепловому русі.

Якщо напівпровідник помістити в електричне поле, то з’являється упорядкований рух, і в такий електричний струм втягуються не тільки вільні електрони, але й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки.

Дуже сильно електрична провідність напівпровідників змінюється при внесенні домішок інших матеріалів (за рахунок появи великої кількості вільних електронів та вільних дірок).

Українська
Користувацький пошук