in metalen vaste stoffen, elektrische ladingsstromen door middel van elektronen, van lager naar hoger elektrisch potentieel. In andere media kan elke stroom van geladen objecten (ionen, bijvoorbeeld) een elektrische stroom vormen. Om een definitie te geven van stroom die onafhankelijk is van het type ladingsdragers, wordt conventionele stroom gedefinieerd als een beweging in dezelfde richting als de positieve ladingsstroom., Dus, in metalen waar de ladingsdragers (elektronen) negatief zijn, is conventionele stroom in de tegenovergestelde richting van de totale elektronenbeweging. Bij geleiders waar de ladingdragers positief zijn, is de conventionele stroom in dezelfde richting als de ladingdragers.
in een vacuüm kan een bundel van ionen of elektronen worden gevormd. In andere geleidende materialen is de elektrische stroom te wijten aan de stroom van zowel positief als negatief geladen deeltjes op hetzelfde moment. In weer andere is de stroom volledig te wijten aan positieve ladingsstroom., De elektrische stromen in elektrolyten zijn bijvoorbeeld stromen van positief en negatief geladen ionen. In een gemeenschappelijke lood-zure elektrochemische cel, zijn elektrische stromen samengesteld uit positieve hydroniumionen die in één richting stromen, en negatieve sulfaationen die in de andere richting stromen. Elektrische stromen in vonken of plasma zijn stromen van elektronen evenals positieve en negatieve ionen. In ijs en in bepaalde vaste elektrolyten bestaat de elektrische stroom volledig uit stromende ionen.,
metalen
in een metaal zijn sommige van de buitenste elektronen in elk atoom niet gebonden aan de afzonderlijke moleculen zoals ze in moleculaire vaste stoffen zijn, of in volledige banden zoals ze in isolatiemateriaal zijn, maar kunnen ze vrij bewegen binnen het metaalrooster. Deze geleidingselektronen kunnen dienen als ladingsdragers, die een stroom dragen. Metalen zijn bijzonder geleidend omdat er veel van deze vrije elektronen zijn, meestal één per atoom in het rooster., Zonder externe elektrische veld toegepast, deze elektronen bewegen rond willekeurig als gevolg van thermische energie, maar, gemiddeld, is er nul netto stroom in het metaal. Bij kamertemperatuur is de gemiddelde snelheid van deze willekeurige bewegingen 106 meter per seconde. Gegeven een oppervlak waar een metalen draad doorheen gaat, bewegen elektronen in beide richtingen over het oppervlak met een gelijke snelheid. Zoals George Gamow schreef in zijn popular science boek, One, Two, Three…,Infinity (1947), ” de metalen stoffen verschillen van alle andere materialen door het feit dat de buitenste schillen van hun atomen vrij losjes gebonden zijn, en vaak een van hun elektronen vrij laten gaan. Zo wordt het interieur van een metaal gevuld met een groot aantal losse elektronen die doelloos rondreizen als een menigte ontheemden. Wanneer een metaaldraad wordt onderworpen aan elektrische kracht die op de tegenoverliggende uiteinden wordt uitgeoefend, haasten deze vrije elektronen zich in de richting van de kracht en vormen zo wat we een elektrische stroom noemen.,”
wanneer een metalen draad is aangesloten over de twee aansluitingen van een GELIJKSPANNINGSBRON, zoals een batterij, plaatst de bron een elektrisch veld over de geleider. Op het moment dat contact wordt gemaakt, worden de vrije elektronen van de geleider gedwongen om onder invloed van dit veld naar de positieve terminal te drijven. De vrije elektronen zijn daarom de ladingsdrager in een typische vaste geleider.,
voor een constante stroom van lading door een oppervlak kan de stroom I (in ampère) worden berekend met de volgende vergelijking:
I = Q t, {\displaystyle I={Q \over t}\,,}
waarbij Q de elektrische lading is die over een tijd t door het oppervlak wordt overgebracht. als Q en t worden gemeten in respectievelijk coulombs en seconden, is I in ampère.
meer in het algemeen kan elektrische stroom worden weergegeven als de snelheid waarmee ladingen door een gegeven oppervlak stromen als:
I = d Q d t . {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q} {\mathrm {d} t}}\,.,}
elektrolyten
een protongeleider in een statisch elektrisch veld.
elektrische stromen in elektrolyten zijn stromen van elektrisch geladen deeltjes (ionen). Bijvoorbeeld, als een elektrisch veld wordt geplaatst over een oplossing van Na+ en Cl – (en de omstandigheden zijn goed) de natriumionen bewegen naar de negatieve elektrode (kathode), terwijl de chlorideionen bewegen naar de positieve elektrode (anode). Reacties vinden plaats op beide elektrodeoppervlakken, waarbij elk ion wordt geneutraliseerd.,
waterijs en bepaalde vaste elektrolyten die protongeleiders worden genoemd, bevatten positieve waterstofionen (“protonen”) die mobiel zijn. In deze materialen zijn elektrische stromen samengesteld uit bewegende protonen, in tegenstelling tot de bewegende elektronen in metalen.
in bepaalde elektrolytenmengsels zijn felgekleurde ionen de bewegende elektrische ladingen. De langzame voortgang van de kleur maakt de stroom zichtbaar.,
gassen en plasma ‘ s
in lucht en andere gewone gassen onder het afbraakveld is de belangrijkste bron van elektrische geleiding via relatief weinig mobiele ionen geproduceerd door radioactieve gassen, ultraviolet licht of kosmische stralen. Aangezien de elektrische geleidbaarheid laag is, zijn gassen diëlektrische of isolatoren. Echter, zodra het toegepaste elektrische veld de afbraakwaarde benadert, worden vrije elektronen voldoende versneld door het elektrische veld om extra vrije elektronen te creëren door botsende, en ioniserende, neutrale gasatomen of moleculen in een proces dat lawine-afbraak wordt genoemd., Het afbraakproces vormt een plasma dat genoeg mobiele elektronen en positieve ionen bevat om er een elektrische geleider van te maken. In het proces vormt het een lichtuitstralend geleidend pad, zoals een vonk, boog of bliksem.
Plasma is de toestand van de materie waarin sommige elektronen in een gas worden gestript of” geïoniseerd ” van hun moleculen of atomen. Een plasma kan worden gevormd door hoge temperatuur, of door toepassing van een hoog elektrisch of wisselend magnetisch veld zoals hierboven vermeld., Door hun lagere massa versnellen de elektronen in een plasma sneller als reactie op een elektrisch veld dan de zwaardere positieve ionen, en dragen dus het grootste deel van de stroom. De vrije ionen recombineren om nieuwe chemische verbindingen te creëren (bijvoorbeeld , het breken van atmosferische zuurstof in enkele zuurstof, die dan recombineren het creëren van ozon ).
vacuüm
aangezien een “perfect vacuüm” geen geladen deeltjes bevat, gedraagt het zich normaal gesproken als een perfecte isolator., Nochtans, kunnen de oppervlakken van de metaalelektrode een gebied van het vacuüm veroorzaken om geleidend te worden door vrije elektronen of ionen door of veldelektronemissie of thermionic emissie te injecteren. Thermionische emissie treedt op wanneer de thermische energie de werkfunctie van het metaal overschrijdt, terwijl veldelektronen emissie optreedt wanneer het elektrische veld aan het oppervlak van het metaal hoog genoeg is om tunneling te veroorzaken, wat resulteert in het uitwerpen van vrije elektronen uit het metaal in het vacuüm., Extern verwarmde elektroden worden vaak gebruikt om een elektronenwolk te genereren zoals in de gloeidraad of indirect verwarmde kathode van vacuümbuizen. Koude elektroden kunnen ook spontaan elektronenwolken produceren via thermionische emissie wanneer kleine gloeigebieden (kathodevlekken of anodevlekken genoemd) worden gevormd. Dit zijn gloeiende gebieden van het elektrodeoppervlak die door een gelokaliseerde hoge stroom worden gecreeerd. Deze gebieden kunnen worden geïnitieerd door veldelektronenemissie, maar worden dan ondersteund door gelokaliseerde thermionische emissie zodra een vacuümboog zich vormt., Deze kleine elektron-emitterende gebieden kunnen zich vrij snel, zelfs explosief, vormen op een metaaloppervlak dat wordt blootgesteld aan een hoog elektrisch veld. Vacuümbuizen en sprytrons zijn enkele van de elektronische schakel-en versterkende apparaten op basis van vacuümgeleiding.supergeleiding
supergeleiding
supergeleiding is een fenomeen van precies nul elektrische weerstand en verdrijving van magnetische velden die voorkomen in bepaalde materialen wanneer gekoeld onder een karakteristieke kritische temperatuur. De soort werd op 8 April 1911 ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in Leiden., Net als ferromagnetisme en atomaire spectraallijnen is supergeleiding een kwantummechanisch fenomeen. Het wordt gekenmerkt door het Meissner-effect, de volledige uitwerping van magnetische veldlijnen uit het interieur van de supergeleider wanneer deze overgaat in de supergeleidende toestand. Het optreden van het Meissner-effect geeft aan dat supergeleiding niet eenvoudig kan worden begrepen als de idealisering van perfecte geleidbaarheid in de klassieke natuurkunde.,halfgeleider
halfgeleider
in een halfgeleider is het soms nuttig om te denken dat de stroom te wijten is aan de stroom van positieve “gaten” (de mobiele positieve ladingsdragers die plaatsen zijn waar het halfgeleiderkristal een valentie-elektron mist). Dit is het geval in een P-type halfgeleider. Een halfgeleider heeft een elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider en een isolator. Dit betekent een geleidbaarheid van ongeveer 10-2 tot 104 siemens per centimeter (s⋅cm−1).,
in de klassieke kristallijne halfgeleiders kunnen elektronen alleen energie hebben binnen bepaalde banden (d.w.z. bereiken van energieniveaus). Energetisch bevinden deze banden zich tussen de energie van de aardtoestand, de toestand waarin elektronen nauw verbonden zijn met de atoomkernen van het materiaal, en de vrije elektronenenergie, die de energie beschrijft die nodig is om een elektron volledig uit het materiaal te laten ontsnappen., De energiebanden komen overeen met vele afzonderlijke kwantumtoestanden van de elektronen, en de meeste van de toestanden met lage energie (dichter bij de kern) zijn bezet, tot aan een bepaalde band genaamd de valentieband. Halfgeleiders en isolatoren onderscheiden zich van metalen omdat de valentieband in een bepaald metaal bijna gevuld is met elektronen onder normale bedrijfsomstandigheden, terwijl er zeer weinig (halfgeleider) of vrijwel geen (isolator) beschikbaar zijn in de geleidingsband, de band direct boven de valentieband.,
het gemak van opwindende elektronen in de halfgeleider van de valentieband naar de geleidingsband hangt af van de bandafstand tussen de banden. De grootte van deze energiebandkloof dient als een willekeurige scheidingslijn (ongeveer 4 eV) tussen halfgeleiders en isolatoren.
bij covalente bindingen beweegt een elektron door naar een naburige bindingen te hoppen. Het Pauli-uitsluitingsprincipe vereist dat het elektron wordt opgeheven in de hogere anti-binding staat van die binding., Voor gedelokaliseerde toestanden, bijvoorbeeld in een dimensie – dat is in een nanodraad, is er voor elke energie een toestand met elektronen die in de ene richting stromen en een andere toestand met de elektronen die in de andere richting stromen. Om een nettostroom te laten stromen, moeten meer toestanden voor de ene richting dan voor de andere richting worden bezet. Hiervoor is energie nodig, omdat in de halfgeleider de volgende hogere toestanden boven de bandkloof liggen. Vaak wordt dit gezegd als: volledige banden dragen niet bij aan de elektrische geleidbaarheid., Echter, als de temperatuur van een halfgeleider stijgt boven het absolute nulpunt, is er meer energie in de halfgeleider te besteden aan rooster trillingen en op spannende elektronen in de geleidingsband. De stroomdragende elektronen in de geleidingsband staan bekend als vrije elektronen, hoewel ze vaak gewoon elektronen worden genoemd als dat duidelijk is in de context.