Как в реальности протекает электрический ток

Как в реальности протекает электрический ток?

Всех нас окружает огромное количество самых разнообразных устройств и целых систем на их основе, которые в процессе своего функционирования тем или иным образом потребляют электрический ток. Само понятие электрического тока было введение с целью придания описанию процесса его протекания определенной наглядности, что было достигнуто за счет целенаправленного формирования прямой аналогии с гидродинамикой через протекание жидкости.

По мере накопления знаний об электричестве было показано, что протекание электрического тока представляет собой в первую очередь движение электромагнитного поля вдоль проводящей среды, которое происходит со скоростями, не слишком сильно отличающимися от скорости света. При этом движение поля происходит от точки с более высоким потенциалом в направлении точки с меньшим потенциалом, т.е. по классической схеме от плюса к минусу.

Перемещение собственно носителей зарядов, которым сопровождается этот процесс, также имеет место, но с заметно меньшей скоростью. В разных материалах оно происходит в различных направлениях.

Разновидности носителей зарядов

Известно, что носители зарядов делятся на положительные и отрицательные. Отрицательными зарядами обладают электроны и ионы, среди носителей положительного заряда преобладают ионы. Отрицательные заряды двигаются в направлении большего потенциала, тогда как положительные заряды в направлении меньшего потенциала. И в обоих случаях в среде возникает электрический ток.

Появляется классическая неоднозначность, которую устраняют обычной договоренностью. На уровне постулата принято, что ток протекает всегда от плюса к минусу вне зависимости от типа зарядов.

Движение зарядов в металлах

Большинство металлов при температурах, практически важных для электротехники и техники проводной связи, находится в твердом состоянии и в них отсутствуют ионы.

В результате ток в твердых проводящих материалах определяется электронным типом проводимости, т.е. свободные электроны (рисунок 1), которые берут на себя функции носителей зарядов, в процессе протекания тока движутся в направлении, противоположном направлению протекания тока, рисунок 2.

Рисунок 1. Свободные и связанные электроны в металле

Рисунок 2. Полярность источника тока и направление движения электронов в металлическом проводнике

Электроны в металлах достаточно легко срываются электрическим полем со своих орбит, по которым они вращаются вокруг атомов при отсутствии разности потенциалов. Таким образом, при незначительной разности потенциалов образуется большое количество носителей зарядов, т.е. металлы имеют сравнительно низкое электрическое сопротивление.

Движение зарядов в полупроводниках

Полупроводники заметно уступают металлам по проводимости при комнатной температуре. Материалы, относящиеся к этой группе, делятся на полупроводники n-типа и р-типа. Полупроводники n-типа в обычном состоянии обладают избытком электронов, при переходе к р-типу проявляется недостаток электронов, но оставшиеся сравнительно легко переходят с одной разрешенной позиции в атомах на другую. Последнее эквивалентно движению положительных зарядов.

Особенность полупроводников – их проводимость резко увеличивается по мере роста температуры: из-за слабой связи с атомами при ее повышении количество несвязанных электронов существенно меняется.

Таким образом, направление движения зарядов в полупроводниках может как совпадать с направлением протекания тока (р-тип), так и быть противоположным ему (n-тип).

Движение зарядов в жидкостях и газах

Особенность жидкостей и газов – носителями зарядов в них являются ионы. Они могут быть как положительными (катионы), так и отрицательными (анионы), рисунок 3. Соответственно при преобладании отрицательных катионов они перемещаются “против тока”, а положительных –катионы двигаются “по току”.

Рисунок 3. Направления перемещения катионов и анионов при наличии разницы потенциалов