i metallfasta fasta ämnen strömmar elektrisk laddning med hjälp av elektroner, från lägre till högre elektrisk potential. I andra medier kan en ström av laddade objekt (joner, till exempel) utgöra en elektrisk ström. För att ge en definition av ström oberoende av typen av laddningsbärare definieras konventionell ström som rör sig i samma riktning som det positiva laddningsflödet., Så, i metaller där laddningsbärarna (elektroner) är negativa, är konventionell ström i motsatt riktning mot den totala elektronrörelsen. I ledare där laddningsbärarna är positiva är konventionell ström i samma riktning som laddningsbärarna.
i ett vakuum kan en stråle av joner eller elektroner bildas. I andra ledande material beror den elektriska strömmen på flödet av både positivt och negativt laddade partiklar samtidigt. I fortfarande andra beror strömmen helt på positivt laddningsflöde., Till exempel är de elektriska strömmarna i elektrolyter flöden av positivt och negativt laddade joner. I en gemensam bly – syra elektrokemisk cell består elektriska strömmar av positiva hydroniumjoner som strömmar i en riktning och negativa sulfatjoner som strömmar i den andra. Elektriska strömmar i gnistor eller plasma är flöden av elektroner samt positiva och negativa joner. I IS och i vissa fasta elektrolyter består den elektriska strömmen helt av flytande joner.,
metaller
i en metall är några av de yttre elektronerna i varje atom inte bundna till de enskilda molekylerna eftersom de är i molekylära fasta ämnen, eller i hela band som de är i isoleringsmaterial, men är fria att röra sig inom metallgitteret. Dessa ledningselektroner kan fungera som laddningsbärare, som bär en ström. Metaller är särskilt Ledande eftersom det finns många av dessa fria elektroner, typiskt en per atom i gallret., Med ingen extern elektrisk fält tillämpas, dessa elektroner rör sig slumpmässigt på grund av värmeenergi, men i genomsnitt, Det finns noll nettoström inom metallen. Vid rumstemperatur är medelhastigheten för dessa slumpmässiga rörelser 106 meter per sekund. Med tanke på en yta genom vilken en metalltråd passerar, rör elektroner i båda riktningarna över ytan i samma takt. Som George Gamow skrev i sin populärvetenskapliga bok, Ett, Två, Tre…,Infinity (1947), ” de metalliska ämnena skiljer sig från alla andra material genom att de yttre skalen av deras atomer är bundna ganska löst och ofta låter en av deras elektroner gå fri. Således är det inre av en metall fylld med ett stort antal obevakade elektroner som reser planlöst runt som en folkmassa av fördrivna personer. När en metalltråd utsätts för elektrisk kraft appliceras på dess motsatta ändar, dessa fria elektroner rusa i riktning mot kraften, vilket bildar vad vi kallar en elektrisk ström.,”
När en metalltråd är ansluten över de två terminalerna på en DC-spänningskälla, såsom ett batteri, placerar källan ett elektriskt fält över ledaren. När kontakten är gjord tvingas ledarens fria elektroner att glida mot den positiva terminalen under påverkan av detta fält. De fria elektronerna är därför laddningsbäraren i en typisk fast ledare.,
för ett stadigt flöde av laddning genom en yta kan strömmen i (i ampere) beräknas med följande ekvation:
i = Q t , {\displaystyle i={Q \over t}\,}
där Q är den elektriska laddningen som överförs genom ytan över en tid t. om Q och t mäts i Coulombs respektive sekunder är jag i ampere.
Mer Allmänt kan elektrisk ström representeras som den hastighet med vilken laddningen strömmar genom en given yta som:
I = d Q d t . {\displaystyle i = {\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.,}
elektrolyter
en protonledare i ett statiskt elektriskt fält.
elektriska strömmar i elektrolyter är flöden av elektriskt laddade partiklar (joner). Till exempel, om ett elektriskt fält placeras över en lösning av Na+ och Cl− (och förhållandena är rätt) natriumjoner rör sig mot den negativa elektroden (katod), medan kloridjoner rör sig mot den positiva elektroden (anod). Reaktioner sker på båda elektrodytorna och neutraliserar varje jon.,
vatten-is och vissa fasta elektrolyter som kallas protonledare innehåller positiva vätejoner (”protoner”) som är mobila. I dessa material består elektriska strömmar av rörliga protoner, i motsats till de rörliga elektronerna i metaller.
i vissa elektrolytblandningar är starkt färgade joner de rörliga elektriska laddningarna. Den långsamma utvecklingen av färgen gör strömmen synlig.,
gaser och plasmas
i luft och andra vanliga gaser under nedbrytningsfältet är den dominerande källan till elektrisk ledning via relativt få mobila joner som produceras av radioaktiva gaser, ultraviolett ljus eller kosmiska strålar. Eftersom den elektriska ledningsförmågan är låg är gaser dielektrikum eller isolatorer. Men när det applicerade elektriska fältet närmar sig nedbrytningsvärdet blir fria elektroner tillräckligt accelererade av det elektriska fältet för att skapa ytterligare fria elektroner genom att kollidera och joniserande, neutrala gasatomer eller molekyler i en process som kallas lavinfördelning., Nedbrytningsprocessen bildar en plasma som innehåller tillräckligt med mobila elektroner och positiva joner för att göra den till en elektrisk ledare. I processen bildar den en ljusstrålande ledande väg, såsom en gnista, båge eller blixt.
Plasma är materiens tillstånd där några av elektronerna i en gas avlägsnas eller” joniseras ” från deras molekyler eller atomer. En plasma kan bildas genom hög temperatur eller genom applicering av ett högt elektriskt eller alternerande magnetfält som noterat ovan., På grund av sin lägre massa accelererar elektronerna i en plasma snabbare som svar på ett elektriskt fält än de tyngre positiva jonerna och bär därmed huvuddelen av strömmen. De fria jonerna rekombineras för att skapa nya kemiska föreningar (till exempel bryta atmosfäriskt syre i enda syre , som sedan rekombinerar skapa Ozon ).
vakuum
eftersom ett ”perfekt vakuum” inte innehåller laddade partiklar, fungerar det normalt som en perfekt isolator., Metallelektrodytor kan emellertid orsaka att ett område av vakuumet blir ledande genom att injicera fria elektroner eller joner genom antingen fältelektronutsläpp eller termioniskt utsläpp. Termioniskt utsläpp uppstår när den termiska energin överstiger metallets arbetsfunktion, medan fältelektronutsläpp uppstår när det elektriska fältet vid metallens yta är tillräckligt högt för att orsaka tunnelning, vilket resulterar i utstötning av fria elektroner från metallen till vakuumet., Externt uppvärmda elektroder används ofta för att generera ett elektronmoln som i glödtråden eller indirekt uppvärmd katod av vakuumrör. Kalla elektroder kan också spontant producera elektronmoln via termionisk emission när små glödande områden (kallade katodfläckar eller anodfläckar) bildas. Dessa är glödande områden av elektrodytan som skapas av en lokaliserad hög ström. Dessa regioner kan initieras av fältelektronutsläpp, men upprätthålls sedan genom lokaliserad termionisk emission när en vakuumbåge bildas., Dessa små elektronemitterande områden kan bildas ganska snabbt, även explosivt, på en metallyta som utsätts för ett högt elektriskt fält. Vakuumrör och sprytroner är några av de elektroniska omkopplings-och förstärkningsanordningarna baserade på vakuumledningsförmåga.
supraledning
supraledning är ett fenomen med exakt noll elektrisk resistans och utvisning av magnetfält som förekommer i vissa material när de kyls under en karakteristisk kritisk temperatur. Den upptäcktes av Heike Kamerlingh Onnes den 8 April 1911 i Leiden., Liksom ferromagnetism och atomspektrala linjer är supraledning ett kvantmekaniskt fenomen. Det kännetecknas av Meissner-effekten, den fullständiga utstötningen av magnetfältlinjer från supraledarens inre när den övergår till supraledande tillstånd. Förekomsten av Meissner-effekten indikerar att supraledning inte kan förstås helt enkelt som idealiseringen av perfekt konduktivitet i klassisk fysik.,
halvledare
i en halvledare är det ibland användbart att tänka på strömmen som på grund av flödet av positiva ” hål ” (de mobila positiva laddningsbärarna som är platser där halvledarkristallen saknar en valenselektron). Detta är fallet i en halvledare av p-typ. En halvledare har elektrisk ledningsförmåga mellanliggande i storlek mellan en ledares och en isolator. Detta innebär en ledningsförmåga ungefär i intervallet 10-2 till 104 siemens per centimeter (s−1).,
i de klassiska kristallina halvledarna kan elektroner endast ha energi inom vissa band (dvs. energinivåer). Energiskt är dessa band belägna mellan markstatens energi, det tillstånd där elektroner är tätt bundna till materialets atomkärnor och den fria elektronenergin, den senare beskriver den energi som krävs för att en elektron ska fly helt från materialet., Energibanden motsvarar alla många diskreta kvanttillstånd hos elektronerna, och de flesta stater med låg energi (närmare kärnan) är upptagna, upp till ett visst band som kallas valensbandet. Halvledare och isolatorer skiljer sig från metaller eftersom valensbandet i någon given metall nästan är fyllt med elektroner under vanliga driftsförhållanden, medan mycket få (halvledare) eller praktiskt taget ingen (isolator) av dem är tillgängliga i ledningsbandet, bandet omedelbart ovanför valensbandet.,
lättheten hos spännande elektroner i halvledaren från valensbandet till ledningsbandet beror på bandgapet mellan banden. Storleken på detta energiband gap fungerar som en godtycklig skiljelinje (ungefär 4 eV) mellan halvledare och isolatorer.
med kovalenta obligationer flyttar en elektron genom att hoppa till en närliggande obligation. Pauli-uteslutningsprincipen kräver att elektronen lyfts in i det högre Anti-bindningstillståndet för den obligationen., För delokaliserade stater, till exempel i en dimension – det vill säga i en nanowire, för varje energi finns ett tillstånd med elektroner som strömmar i en riktning och ett annat tillstånd med elektronerna som flyter i den andra. För att en nettoström ska flöda måste fler stater för en riktning än för den andra riktningen upptas. För att detta ska ske krävs energi, som i halvledaren ligger nästa högre tillstånd ovanför bandgapet. Ofta anges detta som: fulla band bidrar inte till den elektriska ledningsförmågan., Men när en halvledartemperatur stiger över absolut noll, finns det mer energi i halvledaren att spendera på gittervibration och på spännande elektroner i ledningsbandet. De strömförande elektronerna i ledningsbandet är kända som fria elektroner, men de kallas ofta helt enkelt elektroner om det är tydligt i sammanhanget.