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).

Add new comment

Restricted HTML

  • Allowed HTML tags: <a href hreflang> <em> <strong> <cite> <blockquote cite> <code> <ul type> <ol start type> <li> <dl> <dt> <dd> <h2 id> <h3 id> <h4 id> <h5 id> <h6 id>
  • Lines and paragraphs break automatically.
  • Web page addresses and email addresses turn into links automatically.