în solidele metalice, sarcina electrică curge prin electroni, de la un potențial electric mai mic la unul mai mare. În alte medii, orice flux de obiecte încărcate (ioni, de exemplu) poate constitui un curent electric. Pentru a oferi o definiție a curentului independent de tipul de purtători de sarcină, curentul convențional este definit ca deplasându-se în aceeași direcție cu fluxul de sarcină pozitivă., Deci, în metalele în care purtătorii de sarcină (electroni) sunt negativi, curentul convențional este în direcția opusă mișcării globale a electronilor. În conductorii în care purtătorii de sarcină sunt pozitivi, curentul convențional este în aceeași direcție cu transportatorii de sarcină.într-un vid, se poate forma un fascicul de ioni sau electroni. În alte materiale conductive, curentul electric se datorează fluxului de particule încărcate pozitiv și negativ în același timp. În altele, curentul se datorează în întregime fluxului pozitiv de încărcare., De exemplu, curenții electrici din electroliți sunt fluxuri de ioni încărcați pozitiv și negativ. Într-o celulă electrochimică plumb-acid comună, curenții electrici sunt compuși din ioni pozitivi de hidroniu care curg într-o direcție și ioni negativi de sulfat care curg în cealaltă. Curenții electrici în scântei sau plasmă sunt fluxuri de electroni, precum și ioni pozitivi și negativi. În gheață și în anumiți electroliți solizi, curentul electric este compus în întregime din ioni curgători.,într-un metal, unii dintre electronii exteriori din fiecare atom nu sunt legați de moleculele individuale, deoarece sunt în solide moleculare sau în benzi complete, așa cum sunt în materiale izolante, dar sunt liberi să se miște în interiorul rețelei metalice. Acești electroni de conducere pot servi ca purtători de sarcină, purtând un curent. Metalele sunt deosebit de conductive, deoarece există mulți dintre acești electroni liberi, de obicei unul pe atom în zăbrele., Fără un câmp electric extern aplicat, acești electroni se mișcă aleatoriu datorită energiei termice, dar, în medie, există un curent net zero în metal. La temperatura camerei, viteza medie a acestor mișcări aleatorii este de 106 metri pe secundă. Având în vedere o suprafață prin care trece un fir metalic, electronii se mișcă în ambele direcții pe suprafață la o rată egală. După cum a scris George Gamow în cartea sa de știință populară, unu, doi, trei…,Infinity (1947), „substanțele metalice diferă de toate celelalte materiale prin faptul că învelișurile exterioare ale atomilor lor sunt legate destul de vag și adesea lasă unul dintre electronii lor să se elibereze. Astfel, interiorul unui metal este umplut cu un număr mare de electroni neatașați care călătoresc fără țintă ca o mulțime de persoane strămutate. Când un fir metalic este supus forței electrice aplicate la capetele opuse, acești electroni liberi se grăbesc în direcția forței, formând astfel ceea ce numim curent electric.,”
când un fir metalic este conectat la cele două borne ale unei surse de tensiune DC, cum ar fi o baterie, sursa plasează un câmp electric peste conductor. În momentul în care se face contactul, electronii liberi ai conductorului sunt forțați să se deplaseze spre terminalul pozitiv sub influența acestui câmp. Electronii liberi sunt, prin urmare, purtătorul de sarcină într-un conductor solid tipic.,
Pentru un flux constant de încărcare printr-o suprafață, curentul I (în amperi) poate fi calculată cu următoarea ecuație:
I = Q t , {\displaystyle I={Q \pe t}\,,}
unde Q este sarcina electrică transferată prin suprafața peste un timp t. Dacă Q și t se măsoară în coulombi și secunde respectiv, nu este în amperi.mai general, curentul electric poate fi reprezentat ca rata la care sarcina curge printr-o suprafață dată ca:
I = d Q d t . {\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.,}
Electroliți
Un proton conductor într-un câmp electric static.curenții electrici din electroliți sunt fluxuri de particule încărcate electric (ioni). De exemplu, dacă un câmp electric este plasat peste o soluție de Na+ și Cl− (și condițiile sunt dreapta) ionii de sodiu misca spre electrodul negativ (catod), în timp ce ionii de clorură deplasa spre electrodul pozitiv (anod). Reacțiile au loc la ambele suprafețe ale electrodului, neutralizând fiecare ion.,apa-gheață și anumiți electroliți solizi numiți conductori de protoni conțin ioni pozitivi de hidrogen („protoni”) care sunt mobili. În aceste materiale, curenții electrici sunt compuși din protoni în mișcare, spre deosebire de electronii în mișcare din metale.
În anumite amestecuri de electroliți, ionii viu colorați sunt sarcinile electrice în mișcare. Progresul lent al culorii face vizibil curentul.,în aer și alte gaze obișnuite sub câmpul de descompunere, sursa dominantă de conducere electrică este prin relativ puțini ioni mobili produși de gaze radioactive, lumină ultravioletă sau raze cosmice. Deoarece conductivitatea electrică este scăzută, gazele sunt dielectrice sau izolatoare. Cu toate acestea, odată ce câmpul electric aplicat se apropie de valoarea de defalcare, electronii liberi devin suficient de accelerați de câmpul electric pentru a crea electroni liberi suplimentari prin ciocnirea și ionizarea atomilor sau moleculelor de gaz neutre într-un proces numit defalcare de avalanșă., Procesul de descompunere formează o plasmă care conține suficienți electroni mobili și ioni pozitivi pentru a-l face un conductor electric. În acest proces, formează o cale conductivă care emite lumină, cum ar fi o scânteie, un arc sau un fulger.
Plasma este starea materiei în care unii dintre electronii dintr-un gaz sunt dezbrăcați sau „ionizați” din moleculele sau atomii lor. O plasmă poate fi formată prin temperatură ridicată sau prin aplicarea unui câmp magnetic electric sau alternativ, așa cum sa menționat mai sus., Datorită masei lor mai mici, electronii dintr-o plasmă accelerează mai repede ca răspuns la un câmp electric decât ionii pozitivi mai grei și, prin urmare, transportă cea mai mare parte a curentului. Ionii liberi se recombină pentru a crea noi compuși chimici (de exemplu , ruperea oxigenului atmosferic în oxigen unic, care apoi se recombină creând ozon ).deoarece un „vid perfect” nu conține particule încărcate, se comportă în mod normal ca un izolator perfect., Cu toate acestea, suprafețele electrodului metalic pot determina o regiune a vidului să devină conductivă prin injectarea de electroni sau ioni liberi fie prin emisie de electroni de câmp, fie prin emisie termionică. Emisia termionică are loc atunci când energia termică depășește funcția de lucru a metalului, în timp ce emisia de electroni de câmp are loc atunci când câmpul electric de la suprafața metalului este suficient de mare pentru a provoca tunelare, ceea ce duce la ejecția electronilor liberi din metal în vid., Electrozii încălziți extern sunt adesea folosiți pentru a genera un nor de electroni ca în filament sau catod încălzit indirect de tuburi vidate. Electrozii reci pot produce, de asemenea, spontan nori de electroni prin emisie termionică atunci când se formează mici regiuni incandescente (numite pete catodice sau pete anodice). Acestea sunt regiuni incandescente ale suprafeței electrodului care sunt create de un curent ridicat localizat. Aceste regiuni pot fi inițiate prin emisie de electroni de câmp, dar sunt apoi susținute de emisie termionică localizată odată ce se formează un arc de vid., Aceste mici regiuni care emit electroni se pot forma destul de rapid, chiar exploziv, pe o suprafață metalică supusă unui câmp electric ridicat. Tuburile vidate și sprytronii sunt unele dintre dispozitivele electronice de comutare și amplificare bazate pe conductivitatea în vid.
Supraconductivitatea
Supraconductivitatea este un fenomen de rezistență electrică exact zero și expulzarea câmpurilor magnetice care apar în anumite materiale atunci când sunt răcite sub o temperatură critică caracteristică. A fost descoperit de Heike Kamerlingh Onnes la 8 aprilie 1911 în Leiden., Ca și ferromagnetismul și liniile spectrale atomice, supraconductivitatea este un fenomen mecanic cuantic. Se caracterizează prin efectul Meissner, ejecția completă a liniilor de câmp magnetic din interiorul supraconductorului pe măsură ce trece în starea supraconductoare. Apariția efectului Meissner indică faptul că supraconductivitatea nu poate fi înțeleasă pur și simplu ca idealizarea conductivității perfecte în fizica clasică.,
Semiconductor
într-un semiconductor este uneori util să ne gândim la curent ca la fluxul de „găuri” pozitive (purtătorii de sarcină pozitivă mobilă care sunt locuri în care cristalul semiconductor lipsește un electron de valență). Acesta este cazul unui semiconductor de tip P. Un semiconductor are conductivitate electrică intermediară în mărime între cea a unui conductor și un izolator. Aceasta înseamnă o conductivitate aproximativ cuprinsă între 10-2 și 104 siemens pe centimetru (s⋅cm−1).,în semiconductorii cristalini clasici, electronii pot avea energii numai în anumite benzi (adică intervale de niveluri de energie). Din punct de vedere energetic, aceste benzi sunt situate între energia stării de bază, starea în care electronii sunt strâns legați de nucleele atomice ale materialului și energia electronică liberă, aceasta din urmă descriind energia necesară pentru ca un electron să scape în întregime din material., Benzile de energie corespund fiecare multor stări cuantice discrete ale electronilor, iar majoritatea stărilor cu energie redusă (mai aproape de nucleu) sunt ocupate, până la o anumită bandă numită bandă de valență. Semiconductorii și izolatorii se disting de metale, deoarece banda de valență din orice metal dat este aproape umplută cu electroni în condiții obișnuite de funcționare, în timp ce foarte puțini (semiconductori) sau practic nici unul (izolator) dintre ei sunt disponibili în banda de conducție, banda imediat deasupra benzii de valență.,
ușurința electronilor excitanți din semiconductor de la banda de valență la banda de conducere depinde de decalajul de bandă dintre benzi. Dimensiunea acestui decalaj de bandă de energie servește ca o linie de divizare arbitrară (aproximativ 4 eV) între semiconductori și izolatori.cu legături covalente, un electron se mișcă sărind la o legătură vecină. Principiul de excludere Pauli cere ca electronul să fie ridicat în starea anti-legare superioară a acelei legături., Pentru delocalizați membre, de exemplu într-o singură dimensiune, care este într-o nanofire, pentru fiecare energie este un stat cu electronii curg într-o direcție și în alt stat cu electronii care curge în cealaltă. Pentru ca un curent net să curgă, trebuie ocupate mai multe stări pentru o direcție decât pentru cealaltă direcție. Pentru ca acest lucru să se întâmple, este necesară energie, deoarece în semiconductor următoarele stări superioare se află deasupra decalajului de bandă. Adesea, acest lucru este menționat ca: benzile complete nu contribuie la conductivitatea electrică., Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura unui semiconductor crește peste zero absolut, există mai multă energie în semiconductor pentru a cheltui pe vibrații de zăbrele și pe electroni excitați în banda de conducere. Electronii purtători de curent în banda de conducere sunt cunoscuți sub numele de electroni liberi, deși adesea sunt numiți pur și simplu electroni dacă acest lucru este clar în context.