Nei solidi metallici, la carica elettrica scorre per mezzo di elettroni, dal potenziale elettrico inferiore a quello superiore. In altri media, qualsiasi flusso di oggetti carichi (ioni, ad esempio) può costituire una corrente elettrica. Per fornire una definizione di corrente indipendente dal tipo di portatori di carica, la corrente convenzionale è definita come in movimento nella stessa direzione del flusso di carica positiva., Quindi, nei metalli in cui i portatori di carica (elettroni) sono negativi, la corrente convenzionale è nella direzione opposta al movimento generale dell’elettrone. Nei conduttori in cui i portatori di carica sono positivi, la corrente convenzionale è nella stessa direzione dei portatori di carica.
Nel vuoto si può formare un fascio di ioni o elettroni. In altri materiali conduttivi, la corrente elettrica è dovuta al flusso di particelle caricate sia positivamente che negativamente allo stesso tempo. In altri ancora, la corrente è interamente dovuta al flusso di carica positivo., Ad esempio, le correnti elettriche negli elettroliti sono flussi di ioni caricati positivamente e negativamente. In una cella elettrochimica piombo-acido comune, le correnti elettriche sono composte da ioni idronio positivi che scorrono in una direzione e ioni solfato negativi che scorrono nell’altra. Le correnti elettriche in scintille o plasma sono flussi di elettroni e ioni positivi e negativi. Nel ghiaccio e in alcuni elettroliti solidi, la corrente elettrica è interamente composta da ioni fluenti.,
Metalli
In un metallo, alcuni degli elettroni esterni in ogni atomo non sono legati alle singole molecole come sono nei solidi molecolari, o in bande complete come sono nei materiali isolanti, ma sono liberi di muoversi all’interno del reticolo metallico. Questi elettroni di conduzione possono servire come portatori di carica, portando una corrente. I metalli sono particolarmente conduttivi perché ci sono molti di questi elettroni liberi, in genere uno per atomo nel reticolo., Senza campo elettrico esterno applicato, questi elettroni si muovono in modo casuale a causa dell’energia termica ma, in media, non c’è corrente netta nulla all’interno del metallo. A temperatura ambiente, la velocità media di questi movimenti casuali è di 106 metri al secondo. Data una superficie attraverso la quale passa un filo metallico, gli elettroni si muovono in entrambe le direzioni attraverso la superficie a parità di velocità. Come George Gamow ha scritto nel suo libro di scienza popolare, Uno, due, tre…,Infinity (1947), ” Le sostanze metalliche differiscono da tutti gli altri materiali per il fatto che i gusci esterni dei loro atomi sono legati piuttosto liberamente, e spesso lasciano libero uno dei loro elettroni. Così l’interno di un metallo è riempito con un gran numero di elettroni staccati che viaggiano senza meta intorno come una folla di sfollati. Quando un filo metallico è sottoposto a forza elettrica applicata alle sue estremità opposte, questi elettroni liberi si precipitano nella direzione della forza, formando così quella che chiamiamo corrente elettrica.,”
Quando un filo metallico è collegato attraverso i due terminali di una sorgente di tensione continua come una batteria, la sorgente posiziona un campo elettrico attraverso il conduttore. Nel momento in cui viene effettuato il contatto, gli elettroni liberi del conduttore sono costretti ad andare alla deriva verso il terminale positivo sotto l’influenza di questo campo. Gli elettroni liberi sono quindi il vettore di carica in un tipico conduttore solido.,
Per un costante flusso di carica attraverso una superficie, la corrente (in ampere) può essere calcolata con la seguente equazione:
I = Q t , {\displaystyle I={Q \over t}\,,}
dove Q è la carica elettrica trasferiti attraverso la superficie in un tempo t. Se Q e t sono misurata in coulomb e secondi, rispettivamente, I è in ampere.
Più in generale, la corrente elettrica può essere rappresentata come la velocità con cui la carica scorre attraverso una data superficie come:
I = d Q d t . Per maggiori informazioni clicca qui.,}
Elettroliti
Un conduttore di protoni in un campo elettrico statico.
Le correnti elettriche negli elettroliti sono flussi di particelle cariche elettricamente (ioni). Ad esempio, se un campo elettrico è posto attraverso una soluzione di Na+ e Cl− (e le condizioni sono giuste) gli ioni sodio si muovono verso l’elettrodo negativo (catodo), mentre gli ioni cloruro si muovono verso l’elettrodo positivo (anodo). Le reazioni avvengono su entrambe le superfici degli elettrodi, neutralizzando ogni ion.,
Il ghiaccio d’acqua e alcuni elettroliti solidi chiamati conduttori di protoni contengono ioni idrogeno positivi (“protoni”) che sono mobili. In questi materiali, le correnti elettriche sono composte da protoni in movimento, al contrario degli elettroni in movimento nei metalli.
In alcune miscele elettrolitiche, gli ioni dai colori vivaci sono le cariche elettriche in movimento. Il lento progredire del colore rende visibile la corrente.,
Gas e plasmi
Nell’aria e in altri gas ordinari al di sotto del campo di rottura, la fonte dominante di conduzione elettrica è attraverso relativamente pochi ioni mobili prodotti da gas radioattivi, luce ultravioletta o raggi cosmici. Poiché la conduttività elettrica è bassa, i gas sono dielettrici o isolanti. Tuttavia, una volta che il campo elettrico applicato si avvicina al valore di rottura, gli elettroni liberi diventano sufficientemente accelerati dal campo elettrico per creare ulteriori elettroni liberi scontrandosi e ionizzando atomi o molecole di gas neutro in un processo chiamato rottura a valanga., Il processo di rottura forma un plasma che contiene abbastanza elettroni mobili e ioni positivi per renderlo un conduttore elettrico. Nel processo, forma un percorso conduttivo che emette luce, come una scintilla, un arco o un fulmine.
Il plasma è lo stato della materia in cui alcuni degli elettroni in un gas vengono spogliati o “ionizzati” dalle loro molecole o atomi. Un plasma può essere formato da alte temperature o dall’applicazione di un alto campo magnetico elettrico o alternato come notato sopra., A causa della loro massa inferiore, gli elettroni in un plasma accelerano più rapidamente in risposta a un campo elettrico rispetto agli ioni positivi più pesanti, e quindi trasportano la maggior parte della corrente. Gli ioni liberi si ricombinano per creare nuovi composti chimici (ad esempio , rompendo l’ossigeno atmosferico in ossigeno singolo, che poi si ricombinano creando ozono ).
Vuoto
Poiché un “vuoto perfetto” non contiene particelle cariche, normalmente si comporta come un isolante perfetto., Tuttavia, le superfici degli elettrodi metallici possono far sì che una regione del vuoto diventi conduttiva iniettando elettroni o ioni liberi attraverso l’emissione di elettroni di campo o l’emissione termionica. L’emissione termoionica si verifica quando l’energia termica supera la funzione di lavoro del metallo, mentre l’emissione di elettroni di campo si verifica quando il campo elettrico sulla superficie del metallo è abbastanza alto da causare il tunneling, che si traduce nell’espulsione di elettroni liberi dal metallo nel vuoto., Gli elettrodi riscaldati esternamente sono spesso usati per generare una nuvola di elettroni come nel filamento o nel catodo riscaldato indirettamente dei tubi a vuoto. Gli elettrodi freddi possono anche produrre spontaneamente nuvole di elettroni tramite emissione termionica quando si formano piccole regioni incandescenti (chiamate macchie di catodo o macchie di anodo). Queste sono regioni incandescenti della superficie dell’elettrodo create da una corrente elevata localizzata. Queste regioni possono essere avviate dall’emissione di elettroni di campo, ma sono poi sostenute dall’emissione termionica localizzata una volta che si forma un arco di vuoto., Queste piccole regioni che emettono elettroni possono formarsi abbastanza rapidamente, anche in modo esplosivo, su una superficie metallica sottoposta ad un elevato campo elettrico. I tubi a vuoto e gli sprytron sono alcuni dei dispositivi elettronici di commutazione e amplificazione basati sulla conduttività del vuoto.
Superconduttività
La superconduttività è un fenomeno di resistenza elettrica esattamente zero ed espulsione di campi magnetici che si verificano in alcuni materiali quando raffreddati al di sotto di una temperatura critica caratteristica. Fu scoperto da Heike Kamerlingh Onnes l ‘ 8 aprile 1911 a Leida., Come il ferromagnetismo e le linee spettrali atomiche, la superconduttività è un fenomeno meccanico quantistico. È caratterizzato dall’effetto Meissner, l’espulsione completa delle linee del campo magnetico dall’interno del superconduttore mentre transita nello stato superconduttore. Il verificarsi dell’effetto Meissner indica che la superconduttività non può essere intesa semplicemente come l’idealizzazione della conduttività perfetta nella fisica classica.,
Semiconduttore
In un semiconduttore a volte è utile pensare alla corrente come dovuta al flusso di “buchi” positivi (i portatori di carica positiva mobili che sono luoghi in cui al cristallo semiconduttore manca un elettrone di valenza). Questo è il caso di un semiconduttore di tipo P. Un semiconduttore ha conduttività elettrica intermedia in grandezza tra quella di un conduttore e un isolante. Ciò significa una conduttività approssimativamente nell’intervallo da 10-2 a 104 siemens per centimetro (S cm cm−1).,
Nei classici semiconduttori cristallini, gli elettroni possono avere energie solo all’interno di determinate bande (cioè intervalli di livelli di energia). Energeticamente, queste bande si trovano tra l’energia dello stato fondamentale, lo stato in cui gli elettroni sono strettamente legati ai nuclei atomici del materiale, e l’energia dell’elettrone libero, quest’ultimo che descrive l’energia richiesta per un elettrone per sfuggire interamente dal materiale., Le bande di energia corrispondono a molti stati quantici discreti degli elettroni e la maggior parte degli stati a bassa energia (più vicini al nucleo) sono occupati, fino a una particolare banda chiamata banda di valenza. I semiconduttori e gli isolanti si distinguono dai metalli perché la banda di valenza in un dato metallo è quasi piena di elettroni nelle normali condizioni operative, mentre pochissimi (semiconduttori) o praticamente nessuno (isolatori) di essi sono disponibili nella banda di conduzione, la banda immediatamente sopra la banda di valenza.,
La facilità di elettroni eccitanti nel semiconduttore dalla banda di valenza alla banda di conduzione dipende dal divario di banda tra le bande. La dimensione di questo intervallo di banda di energia funge da linea di demarcazione arbitraria (circa 4 eV) tra semiconduttori e isolanti.
Con legami covalenti, un elettrone si muove saltando verso un legame vicino. Il principio di esclusione di Pauli richiede che l’elettrone sia sollevato nello stato anti-bonding più alto di quel legame., Per gli stati delocalizzati, ad esempio in una dimensione – cioè in un nanofilo, per ogni energia c’è uno stato con elettroni che fluiscono in una direzione e un altro stato con gli elettroni che fluiscono nell’altra. Affinché una corrente netta scorra, devono essere occupati più stati per una direzione che per l’altra. Perché ciò accada, è necessaria energia, poiché nel semiconduttore gli stati successivi più alti si trovano al di sopra del band gap. Spesso questo è indicato come: le bande complete non contribuiscono alla conduttività elettrica., Tuttavia, quando la temperatura di un semiconduttore supera lo zero assoluto, c’è più energia nel semiconduttore da spendere per la vibrazione del reticolo e per gli elettroni eccitanti nella banda di conduzione. Gli elettroni che trasportano corrente nella banda di conduzione sono noti come elettroni liberi, anche se sono spesso chiamati semplicemente elettroni se questo è chiaro nel contesto.