w ciałach stałych metalicznych, ładunek elektryczny przepływa za pomocą elektronów, od niższego do wyższego potencjału elektrycznego. W innych mediach dowolny strumień naładowanych obiektów (np. jonów) może stanowić prąd elektryczny. Aby przedstawić definicję prądu niezależnego od rodzaju nośników ładunku, prąd konwencjonalny definiuje się jako poruszający się w tym samym kierunku, co przepływ ładunku dodatniego., Tak więc w metalach, gdzie nośniki ładunku (elektrony) są ujemne, konwencjonalny prąd jest w przeciwnym kierunku do ogólnego ruchu elektronów. W przewodach, w których nośniki ładunku są dodatnie, prąd konwencjonalny jest w tym samym kierunku, co nośniki ładunku.
w próżni może powstać wiązka jonów lub elektronów. W innych materiałach przewodzących prąd elektryczny jest spowodowany przepływem zarówno dodatnio, jak i ujemnie naładowanych cząstek w tym samym czasie. W jeszcze innych prąd jest w całości spowodowany dodatnim przepływem ładunku., Na przykład prąd elektryczny w elektrolitach to przepływy dodatnio i ujemnie naładowanych jonów. We wspólnej ogniwie elektrochemicznym kwasowo-ołowiowym prądy elektryczne składają się z dodatnich jonów hydroniowych przepływających w jednym kierunku, a ujemnych jonów siarczanowych przepływających w drugim. Prądy elektryczne w iskrach lub plazmie to przepływy elektronów oraz jonów dodatnich i ujemnych. W lodzie i w niektórych stałych elektrolitach prąd elektryczny składa się w całości z płynących jonów.,
Metale
w metalu niektóre zewnętrzne elektrony w każdym atomie nie są związane z pojedynczymi cząsteczkami, ponieważ są w cząsteczkowych ciałach stałych lub w pełnych pasmach, jak są w materiałach izolacyjnych, ale mogą swobodnie poruszać się w sieci metalowej. Te elektrony przewodzące mogą służyć jako nośniki ładunku, niosąc prąd. Metale są szczególnie przewodzące, ponieważ istnieje wiele tych wolnych elektronów, zazwyczaj jeden na atom w sieci., Przy braku zewnętrznego pola elektrycznego elektrony te poruszają się losowo ze względu na energię cieplną, ale przeciętnie w metalu nie ma prądu netto. W temperaturze pokojowej średnia prędkość tych losowych ruchów wynosi 106 metrów na sekundę. Biorąc pod uwagę powierzchnię, przez którą przechodzi metalowy drut, elektrony poruszają się w obu kierunkach po powierzchni z równą prędkością. Jak napisał George Gamow w swojej książce Popularnonaukowej, Raz, Dwa, Trzy…,Infinity (1947), ” substancje metaliczne różnią się od wszystkich innych materiałów tym, że zewnętrzne powłoki ich atomów są związane dość luźno i często pozwalają jednemu z ich elektronów odejść swobodnie. Stąd wnętrze metalu wypełnione jest dużą liczbą niezwiązanych elektronów, które podróżują bez celu wokół jak tłum przesiedleńców. Kiedy metalowy drut jest poddawany sile elektrycznej przyłożonej na jego przeciwległe końce, te wolne elektrony pędzą w kierunku siły, tworząc w ten sposób coś, co nazywamy prądem elektrycznym.,”
gdy metalowy przewód jest podłączony przez dwa zaciski źródła napięcia stałego, takiego jak akumulator, źródło umieszcza pole elektryczne w poprzek przewodu. W momencie kontaktu wolne elektrony przewodnika są zmuszone dryfować w kierunku dodatniego terminala pod wpływem tego pola. Swobodne elektrony są więc nośnikiem ładunku w typowym przewodniku stałym.,
dla stałego przepływu ładunku przez powierzchnię, prąd I (w amperach) można obliczyć za pomocą następującego równania:
i = Q t , {\displaystyle i={Q \over T}\,}
Gdzie Q jest ładunkiem elektrycznym przenoszonym przez powierzchnię w czasie t. jeśli Q i t są mierzone odpowiednio w coulombach i sekundach, I jest w amperach.
ogólnie rzecz biorąc, prąd elektryczny może być reprezentowany jako szybkość, z jaką ładunek przepływa przez daną powierzchnię jako:
I = d Q d t . {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q} {\mathrm {d} t}}\,.,
elektrolity
przewód protonowy w statycznym polu elektrycznym.
prądy elektryczne w elektrolitach to przepływy naładowanych elektrycznie cząstek (jonów). Na przykład, jeśli pole elektryczne jest umieszczone w roztworze Na+ i Cl – (i warunki są właściwe), jony sodu poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody), podczas gdy jony chlorkowe poruszają się w kierunku elektrody dodatniej (anody). Reakcje zachodzą na obu powierzchniach elektrod, neutralizując każdy jon.,
woda-lód i niektóre stałe elektrolity zwane przewodnikami protonowymi zawierają dodatnie jony wodorowe („protony”), które są ruchome. W tych materiałach prądy elektryczne składają się z poruszających się protonów, w przeciwieństwie do poruszających się elektronów w metalach.
w niektórych mieszaninach elektrolitu jony o jasnym zabarwieniu są ruchomymi ładunkami elektrycznymi. Powolny postęp koloru sprawia, że prąd jest widoczny.,
gazy i plazmy
w powietrzu i innych zwykłych gazach poniżej pola rozpadu dominującym źródłem przewodzenia elektrycznego jest stosunkowo niewiele ruchomych jonów wytwarzanych przez gazy radioaktywne, światło ultrafioletowe lub promieniowanie kosmiczne. Ponieważ Przewodność elektryczna jest niska, gazy są dielektrykami lub izolatorami. Jednak gdy zastosowane pole elektryczne zbliża się do wartości rozkładu, wolne elektrony stają się wystarczająco przyspieszone przez pole elektryczne, aby utworzyć dodatkowe wolne elektrony przez zderzenie i jonizację neutralnych atomów gazu lub cząsteczek w procesie zwanym rozpadem lawinowym., Proces rozpadu tworzy plazmę, która zawiera wystarczająco dużo ruchomych elektronów i jonów dodatnich, aby uczynić ją przewodnikiem elektrycznym. W tym procesie tworzy ścieżkę przewodzącą światło, taką jak iskra, łuk lub błyskawica.
Plazma to stan materii, w którym niektóre elektrony w gazie są pozbawione lub „zjonizowane” ze swoich cząsteczek lub atomów. Plazma może być utworzona przez wysoką temperaturę lub przez zastosowanie wysokiego elektrycznego lub zmiennego pola magnetycznego, jak wspomniano powyżej., Ze względu na ich mniejszą masę, elektrony w plazmie przyspieszają szybciej w odpowiedzi na pole elektryczne niż cięższe jony dodatnie, a tym samym przenoszą większość prądu. Wolne jony rekombinują, tworząc nowe związki chemiczne (np. rozbijając tlen atmosferyczny na pojedynczy tlen, który następnie rekombinuje tworząc Ozon).
próżnia
ponieważ „doskonała próżnia” nie zawiera naładowanych cząstek, zwykle zachowuje się jak idealny izolator., Jednak powierzchnie elektrod metalowych mogą powodować, że obszar próżni staje się przewodzący przez wstrzykiwanie wolnych elektronów lub jonów poprzez emisję elektronów polowych lub emisję termionową. Emisja termiczna występuje, gdy energia cieplna przekracza funkcję roboczą metalu, podczas gdy emisja elektronów w polu elektrycznym na powierzchni metalu jest wystarczająco wysoka, aby spowodować tunelowanie, co powoduje wyrzucenie wolnych elektronów z metalu do próżni., Zewnętrznie ogrzewane elektrody są często używane do generowania chmury elektronowej, jak w żarniku lub pośrednio ogrzewanej katodzie lamp próżniowych. Zimne elektrody mogą również spontanicznie wytwarzać chmury elektronowe poprzez emisję termiczną, gdy powstają małe obszary żarowe (zwane Plamami katodowymi lub plamami anodowymi). Są to obszary żarowe powierzchni elektrody, które są tworzone przez zlokalizowany wysoki prąd. Obszary te mogą być inicjowane przez polową emisję elektronów, ale są następnie podtrzymywane przez zlokalizowaną emisję termiczną, gdy powstaje łuk próżniowy., Te małe obszary emitujące elektrony mogą formować się dość szybko, nawet wybuchowo, na powierzchni metalu poddanej wysokiemu polowi elektrycznemu. Lampy próżniowe i sprytrony to niektóre z elektronicznych urządzeń przełączających i wzmacniających opartych na przewodności próżniowej.
nadprzewodnictwo
nadprzewodnictwo jest zjawiskiem o dokładnie zerowej rezystancji elektrycznej i wydalaniu pól magnetycznych występujących w niektórych materiałach po ochłodzeniu poniżej charakterystycznej temperatury krytycznej. Odkrył ją Heike Kamerlingh Onnes 8 kwietnia 1911 roku w Lejdzie., Podobnie jak ferromagnetyzm i atomowe linie widmowe, nadprzewodnictwo jest zjawiskiem mechaniki kwantowej. Charakteryzuje się on efektem Meissnera, czyli całkowitym wyrzucaniem linii pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika, gdy przechodzi on w stan nadprzewodzący. Występowanie efektu Meissnera wskazuje, że nadprzewodnictwo nie może być rozumiane po prostu jako idealizacja przewodnictwa doskonałego w fizyce klasycznej.,
półprzewodnik
w półprzewodniku czasami warto myśleć o prądzie jako o przepływie dodatnich „dziur” (ruchomych nośnikach ładunku dodatniego, które są miejscami, w których kryształ półprzewodnika brakuje elektronu walencyjnego). Tak jest w przypadku półprzewodnika typu P. Półprzewodnik ma przewodność elektryczną pośrednią w wielkości między przewodnikiem a izolatorem. Oznacza to przewodność w przybliżeniu w zakresie od 10-2 do 104 na centymetr (S⋅cm−1).,
w klasycznych półprzewodnikach krystalicznych elektrony mogą mieć Energie tylko w określonych pasmach (tj. zakresach poziomów energii). Pod względem energetycznym pasma te znajdują się pomiędzy energią stanu gruntu, stanu, w którym elektrony są ściśle związane z jądrami atomowymi materiału, a energią swobodnych elektronów, ta ostatnia opisuje energię potrzebną elektronowi do całkowitej ucieczki z materiału., Pasma energetyczne odpowiadają wielu dyskretnym stanom kwantowym elektronów, a większość stanów o niskiej energii (bliżej jądra) jest zajęta, aż do określonego pasma zwanego pasmem walencyjnym. Półprzewodniki i izolatory odróżniają się od metali, ponieważ pasmo walencyjne w danym metalu jest prawie wypełnione elektronami w zwykłych warunkach pracy, podczas gdy bardzo mało (półprzewodnik) lub praktycznie żaden (izolator) z nich są dostępne w paśmie przewodzenia, pasmo bezpośrednio powyżej pasma walencyjnego.,
łatwość poruszania się elektronów w półprzewodniku od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa zależy od szczeliny pasmowej między pasmami. Wielkość tej szczeliny pasma energii służy jako arbitralna linia podziału (w przybliżeniu 4 eV) między półprzewodnikami i izolatorami.
przy wiązaniach kowalencyjnych elektron porusza się przeskakując do sąsiedniego wiązania. Zasada wykluczenia Pauli wymaga, aby elektron został podniesiony do wyższego stanu anty-wiązania tego wiązania., Dla Stanów delokalizowanych, np. w jednym wymiarze – czyli w nanowirze, dla każdej energii istnieje stan z elektronami płynącymi w jednym kierunku i inny stan z elektronami płynącymi w drugim. Aby prąd netto płynął, musi być zajętych więcej stanów dla jednego kierunku niż dla drugiego kierunku. Aby do tego doszło, potrzebna jest energia, ponieważ w półprzewodniku kolejne wyższe stany leżą powyżej szczeliny pasmowej. Często jest to stwierdzane jako: pełne pasma nie przyczyniają się do przewodności elektrycznej., Jednak gdy temperatura półprzewodnika wzrasta powyżej zera bezwzględnego, w półprzewodniku jest więcej energii do wydania na drgania sieci i na ekscytujące elektrony w paśmie przewodnictwa. Elektrony przewodzące prąd w paśmie przewodzenia są znane jako elektrony swobodne, choć często są po prostu nazywane elektronami, jeśli jest to jasne w kontekście.