en sólidos metálicos, la carga eléctrica fluye por medio de electrones, de Menor a mayor potencial eléctrico. En otros medios, cualquier flujo de objetos cargados (iones, por ejemplo) puede constituir una corriente eléctrica. Para proporcionar una definición de corriente independiente del tipo de portadores de carga, la corriente convencional se define como el movimiento en la misma dirección que el flujo de carga positivo., Por lo tanto, en metales donde los portadores de carga (electrones) son negativos, la corriente convencional está en la dirección opuesta al movimiento general del electrón. En conductores donde los portadores de carga son positivos, la corriente convencional está en la misma dirección que los portadores de carga.
en un vacío, se puede formar un haz de iones o electrones. En otros materiales conductores, la corriente eléctrica se debe al flujo de partículas cargadas positiva y negativamente al mismo tiempo. En otros, la corriente se debe enteramente al flujo de carga positivo., Por ejemplo, las corrientes eléctricas en electrolitos son flujos de iones cargados positiva y negativamente. En una célula electroquímica de plomo-ácido común, las corrientes eléctricas se componen de iones de hidronio positivos que fluyen en una dirección, e iones de sulfato negativos que fluyen en la otra. Las corrientes eléctricas en chispas o plasma son flujos de electrones, así como iones positivos y negativos. En el hielo y en ciertos electrolitos sólidos, la corriente eléctrica está completamente compuesta de iones que fluyen.,
metales
en un metal, algunos de los electrones externos en cada átomo no están unidos a las moléculas individuales como lo están en sólidos moleculares, o en bandas completas como lo están en materiales aislantes, pero son libres de moverse dentro de la red metálica. Estos electrones de conducción pueden servir como portadores de carga, llevando una corriente. Los metales son particularmente conductores porque hay muchos de estos electrones libres, típicamente uno por átomo en la red., Sin un campo eléctrico externo aplicado, estos electrones se mueven aleatoriamente debido a la energía térmica, pero, en promedio, hay una corriente neta cero dentro del metal. A temperatura ambiente, la velocidad media de estos movimientos aleatorios es de 106 metros por segundo. Dada una superficie a través de la cual pasa un alambre de metal, los electrones se mueven en ambas direcciones a través de la superficie a una velocidad igual. Como George Gamow escribió en su libro de ciencia popular, Uno, Dos, Tres…,Infinito (1947), «El metálico sustancias difieren de todos los demás materiales por el hecho de que la cáscara de sus átomos están enlazados a poco, y a menudo permiten a uno de sus electrones van por libre. Así, el interior de un metal se llena con un gran número de electrones no conectados que viajan sin rumbo como una multitud de personas desplazadas. Cuando un alambre metálico es sometido a la fuerza eléctrica aplicada en sus extremos opuestos, estos electrones libres se precipitan en la dirección de la fuerza, formando así lo que llamamos una corriente eléctrica.,»
Cuando un cable de metal está conectado a través de los dos terminales de una fuente de voltaje de CC, como una batería, la fuente coloca un campo eléctrico a través del conductor. En el momento en que se hace contacto, los electrones libres del conductor se ven obligados a desplazarse hacia el terminal positivo bajo la influencia de este campo. Los electrones libres son por lo tanto el portador de carga en un conductor Sólido típico.,
para un flujo constante de carga a través de una superficie, la corriente I (en amperios) se puede calcular con la siguiente ecuación:
i = Q t , {\displaystyle i={Q \over t}\,,}
donde Q Es la carga eléctrica transferida a través de la superficie durante un tiempo t. si Q Y t se miden en culombios y segundos respectivamente, I está en amperios.
Más generalmente, la corriente eléctrica se puede representar como la velocidad a la que la carga fluye a través de una superficie dada como:
I = D Q d t . {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.,}
Electrolitos
Un protón conductor en un campo eléctrico estático.
las corrientes eléctricas en electrolitos son flujos de partículas cargadas eléctricamente (iones). Por ejemplo, si se coloca un campo eléctrico a través de una solución de Na+ y Cl− (y las condiciones son correctas), los iones de sodio se mueven hacia el electrodo negativo (cátodo), mientras que los iones de cloruro se mueven hacia el electrodo positivo (ánodo). Las reacciones tienen lugar en ambas superficies de los electrodos, neutralizando cada ion.,
el agua-hielo y ciertos electrolitos sólidos llamados conductores de protones contienen iones de hidrógeno positivos («protones») que son móviles. En estos materiales, las corrientes eléctricas se componen de protones en movimiento, a diferencia de los electrones en movimiento en los metales.
en ciertas mezclas de electrolitos, los iones de colores brillantes son las cargas eléctricas móviles. El lento progreso del color hace visible la corriente.,
Gases y plasmas
en el aire y otros gases ordinarios por debajo del campo de descomposición, la fuente dominante de conducción eléctrica es a través de relativamente pocos iones móviles producidos por gases radiactivos, luz ultravioleta o rayos cósmicos. Dado que la conductividad eléctrica es baja, los gases son dieléctricos o aislantes. Sin embargo, una vez que el campo eléctrico aplicado se acerca al valor de ruptura, los electrones libres se aceleran lo suficiente por el campo eléctrico para crear electrones libres adicionales al chocar e ionizar átomos o moléculas de gas neutro en un proceso llamado ruptura de avalanchas., El proceso de descomposición forma un plasma que contiene suficientes electrones móviles e iones positivos para convertirlo en un conductor eléctrico. En el proceso, forma un camino conductor emisor de luz, como una chispa, un arco o un rayo.
el Plasma es el estado de la materia donde algunos de los electrones en un gas son despojados o» ionizados » de sus moléculas o átomos. Un plasma puede formarse por alta temperatura, o por la aplicación de un alto campo magnético eléctrico o alterno como se señaló anteriormente., Debido a su menor masa, los electrones en un plasma aceleran más rápidamente en respuesta a un campo eléctrico que los iones positivos más pesados, y por lo tanto llevan la mayor parte de la corriente. Los iones libres se recombinan para crear nuevos compuestos químicos (por ejemplo, rompiendo el oxígeno atmosférico en oxígeno único , que luego se recombinan creando ozono ).
vacío
dado que un «vacío perfecto» no contiene partículas cargadas, normalmente se comporta como un aislante perfecto., Sin embargo, las superficies de electrodos metálicos pueden causar que una región del vacío se vuelva conductora al inyectar electrones o iones libres a través de la emisión de electrones de campo o la emisión termiónica. La emisión termiónica ocurre cuando la energía térmica excede la función de trabajo del metal, mientras que la emisión de electrones de campo ocurre cuando el campo eléctrico en la superficie del metal es lo suficientemente alto como para causar un túnel, lo que resulta en la expulsión de electrones libres del metal al vacío., Los electrodos calentados externamente se utilizan a menudo para generar una nube de electrones como en el filamento o cátodo calentado indirectamente de tubos de vacío. Los electrodos fríos también pueden producir espontáneamente nubes de electrones a través de la emisión termiónica cuando se forman pequeñas regiones incandescentes (llamadas manchas de cátodo o manchas de ánodo). Estas son regiones incandescentes de la superficie del electrodo que son creadas por una alta corriente localizada. Estas regiones pueden ser iniciadas por la emisión de electrones de campo, pero luego son sostenidas por la emisión termiónica localizada una vez que se forma un arco de vacío., Estas pequeñas regiones emisoras de electrones pueden formarse rápidamente, incluso explosivamente, en una superficie metálica sometida a un alto campo eléctrico. Los tubos de vacío y sprytrons son algunos de los dispositivos electrónicos de conmutación y amplificación basados en la conductividad al vacío.
superconductividad
la superconductividad es un fenómeno de exactamente cero resistencia eléctrica y expulsión de campos magnéticos que ocurren en ciertos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica. Fue descubierto por Heike Kamerlingh Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden., Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno mecánico cuántico. Se caracteriza por el efecto Meissner, la expulsión completa de las líneas del campo magnético desde el interior del superconductor a medida que transita al estado superconductor. La ocurrencia del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como la idealización de la conductividad perfecta en la física clásica.,
Semiconductor
en un semiconductor a veces es útil pensar en la corriente como debido al flujo de «agujeros» positivos (los portadores de carga positivos móviles que son lugares donde al cristal semiconductor le falta un electrón de Valencia). Este es el caso de un semiconductor de tipo P. Un semiconductor tiene una conductividad eléctrica intermedia en magnitud entre la de un conductor y un aislante. Esto significa una conductividad aproximadamente en el rango de 10-2 a 104 siemens por centímetro (s⋅cm−1).,
en los semiconductores cristalinos clásicos, los electrones pueden tener energías solo dentro de ciertas bandas (es decir, rangos de niveles de energía). Energéticamente, estas bandas están ubicadas entre la energía del estado fundamental, el estado en el que los electrones están estrechamente vinculados a los núcleos atómicos del material, y la energía del electrón libre, este último describe la energía requerida para que un electrón escape completamente del material., Las bandas de energía corresponden a muchos estados cuánticos discretos de los electrones, y la mayoría de los estados con baja energía (más cerca del núcleo) están ocupados, hasta una banda particular llamada banda de Valencia. Los semiconductores y aisladores se distinguen de los metales porque la banda de Valencia en cualquier metal dado está casi llena de electrones en condiciones de funcionamiento habituales, mientras que muy pocos (semiconductores) o prácticamente ninguno (aisladores) de ellos están disponibles en la banda de conducción, la banda inmediatamente por encima de la banda de Valencia.,
la facilidad de excitación de electrones en el semiconductor desde la banda de Valencia a la banda de conducción depende de la brecha de banda entre las bandas. El tamaño de esta brecha de banda de energía sirve como una línea divisoria arbitraria (aproximadamente 4 eV) entre semiconductores y aisladores.
con enlaces covalentes, un electrón se mueve saltando a un enlace vecino. El principio de exclusión de Pauli requiere que el electrón sea elevado al estado anti-enlace superior de ese enlace., Para los Estados deslocalizados, por ejemplo, en una dimensión, es decir, en un nanohilo, para cada Energía hay un estado con electrones que fluyen en una dirección y otro estado con los electrones que fluyen en la otra. Para que una corriente neta fluya, se deben ocupar más estados para una dirección que para la otra. Para que esto ocurra, se requiere energía, ya que en el semiconductor los siguientes estados superiores se encuentran por encima de la brecha de banda. A menudo esto se indica como: las bandas completas no contribuyen a la conductividad eléctrica., Sin embargo, a medida que la temperatura de un semiconductor se eleva por encima del cero absoluto, hay más energía en el semiconductor para gastar en la vibración de la red y en electrones excitantes en la banda de conducción. Los electrones portadores de corriente en la banda de conducción se conocen como electrones libres, aunque a menudo se les llama simplemente electrones si eso está claro en el contexto.