Hogyan áramlik az elektromos áram a valóságban?

  • Dec 14, 2020
click fraud protection

Mindannyiunkat rengeteg különféle eszköz és azokon alapuló teljes rendszer vesz körül, amelyek működésük során ilyen vagy olyan módon áramot fogyasztanak. Az elektromos áram fogalmát azért vezették be, hogy bizonyos legyen a lefolyásának leírása világosság, amelyet a hidrodinamikával való közvetlen analógia célzott kialakítása révén értek el folyadékáramlás.

A villamos energiával kapcsolatos ismeretek felhalmozásával bebizonyosodott, hogy az elektromos áram áramlása elsősorban egy elektromágneses tér mozgása vezetőképes közeg mentén, amely a sebességtől nem túl eltérő sebességgel történik Sveta. Ebben az esetben a mező egy nagyobb potenciállal rendelkező pontról egy alacsonyabb potenciállal rendelkező pont irányába mozog, azaz a klasszikus séma szerint plusztól mínuszig.

A folyamatot kísérő tényleges töltéshordozók mozgása is megtörténik, de érezhetően alacsonyabb sebességgel. Különböző anyagokban különböző irányokban zajlik.

A töltéshordozók fajtái

Ismeretes, hogy a töltéshordozók pozitívra és negatívra oszlanak. A negatív töltéseket elektronok és ionok birtokolják, az ionok a pozitív töltés hordozói között vannak túlsúlyban. A negatív töltések magasabb, míg a pozitív töltések alacsonyabb potenciál felé mozognak. És mindkét esetben elektromos áram keletkezik a környezetben.

instagram viewer

Klasszikus kétértelműség jelenik meg, amelyet a szokásos megállapodás megszüntet. A posztulátum szintjén feltételezzük, hogy az áram mindig pluszból mínuszba áramlik, függetlenül a töltések típusától.

A töltések mozgása a fémekben

A legtöbb fém olyan hőmérsékleten, amely gyakorlatilag fontos az elektromos és vezetékes kommunikációs technológia számára, szilárd állapotban van, és nincsenek ionok.

Ennek eredményeként a szilárdan vezető anyagok áramát a vezetőképesség elektronikus típusa, azaz szabad elektronok (1. ábra), amelyek átveszik a töltéshordozók funkcióit, az áramlás folyamatában az áramlás irányával ellentétes irányban mozognak, 2. kép

1. kép. Szabad és kötött elektronok egy fémben
2. ábra. Az áramforrás polaritása és az elektronok mozgásiránya egy fém vezetőben

A fémekben lévő elektronokat egy elektromos mező könnyedén elszakítja pályájukról, amely mentén potenciálkülönbség hiányában az atomok körül forognak. Így jelentéktelen potenciálkülönbség mellett nagyszámú töltéshordozó képződik, azaz a fémek viszonylag alacsony elektromos ellenállással rendelkeznek.

Töltések mozgása félvezetőkben

A félvezetők szobahőmérsékleten vezetőképességüknél észrevehetően alacsonyabbak a fémeknél. Az ebbe a csoportba tartozó anyagok n-típusú és p-típusú félvezetőkre vannak felosztva. Az n típusú félvezetők normál állapotban elektronfelesleggel rendelkeznek, amikor a p típusba jutnak, akkor nyilvánul meg elektronhiány, de a maradék viszonylag könnyen átjut az atomok egyik megengedett helyzetéből a egy másik. Ez utóbbi egyenértékű a pozitív töltések mozgásával.

A félvezetők egyik jellemzője, hogy vezetőképességük a hőmérséklet emelkedésével hirtelen növekszik: az atomokkal való gyenge kötés miatt, ahogy emelkedik, a meg nem kötött elektronok száma jelentősen megváltozik.

Így a félvezetőkben a töltések mozgásának iránya egybeeshet az áram áramlásának irányával (p-típus), és ellentétes lehet vele (n-típusú).

A töltések mozgása folyadékokban és gázokban

A folyadékok és gázok sajátossága, hogy az ionok töltéshordozók bennük. Lehetnek pozitívak (kationok) vagy negatívak (anionok), 3. ábra. Ennek megfelelően, ha a negatív kationok túlsúlyban vannak, akkor az „áram ellenében”, míg a pozitív kationok az áram mentén mozognak.

3. ábra A kationok és az anionok mozgási irányai potenciális különbség jelenlétében