Электрический ток — это поток заряженных частиц , [1] [2] [3], таких как электроны или ионы , движущихся через электрический проводник или пространство. Он определяется как чистая скорость потока электрического заряда через поверхность. [4] : 2 [5] : 622 Движущиеся частицы называются носителями заряда , которые могут быть одним из нескольких типов частиц, в зависимости от проводника . В электрических цепях носителями заряда часто являются электроны, движущиеся по проводу . В полупроводниках это могут быть электроны или дырки . В электролите носителями заряда являются ионы , а в плазме , ионизированном газе, — ионы и электроны. [6]
В Международной системе единиц (СИ) электрический ток выражается в амперах ( иногда называемых «амперами», символ А), что эквивалентно одному кулону в секунду. Ампер — это базовая единица СИ , а электрический ток — базовая величина в Международной системе величин (ISQ). [7] : 15 Электрический ток также известен как сила тока и измеряется с помощью устройства, называемого амперметром . [5] : 788
Электрические токи создают магнитные силы , которые используются в двигателях, генераторах, индукторах и трансформаторах . [8] [9] В обычных проводниках они вызывают джоулево нагрев , создающий свет в лампах накаливания . Изменяющиеся во времени токи излучают электромагнитные волны , которые используются в телекоммуникациях для передачи информации. [10]
Традиционный символ тока — I , который происходит от французской фразы intensité du courant (интенсивность тока). [11] [12] Силу тока часто называют просто током . [13] Символ I был использован Андре-Мари Ампером , в честь которого названа единица электрического тока, при формулировке закона силы Ампера (1820 г.). [14] Обозначение перешло из Франции в Великобританию, где оно стало стандартом, хотя по крайней мере один журнал не менял использование C на I до 1896 года. [15]
Обычное направление тока, также известное как условный ток , [16] [17] произвольно определяется как направление, в котором текут положительные заряды. В проводящем материале движущиеся заряженные частицы, составляющие электрический ток, называются носителями заряда . В металлах, из которых состоят провода и другие проводники в большинстве электрических цепей , положительно заряженные атомные ядра атомов удерживаются в фиксированном положении, а отрицательно заряженные электроны являются носителями заряда, которые могут свободно перемещаться в металле. В других материалах, особенно в полупроводниках , носители заряда могут быть положительными или отрицательными, в зависимости от используемой примеси . Положительные и отрицательные носители заряда могут даже присутствовать одновременно, как это происходит в электролите в электрохимической ячейке .
Поток положительных зарядов дает такой же электрический ток и оказывает такое же действие в цепи, как и равный поток отрицательных зарядов в противоположном направлении. Поскольку ток может представлять собой поток как положительных, так и отрицательных зарядов, или того и другого, необходимо соглашение о направлении тока, которое не зависит от типа носителей заряда. Поэтому отрицательно заряженные носители, такие как электроны (носители заряда в металлических проводах и многих других компонентах электронных схем), текут в направлении, противоположном обычному току в электрической цепи. [16] [17]
Ток в проводе или элементе цепи может течь в одном из двух направлений. При определении переменной для представления тока необходимо указать направление, представляющее положительный ток, обычно с помощью стрелки на принципиальной схеме . [18] [19] : 13 Это называется опорным направлением тока . При анализе электрических цепей фактическое направление тока через конкретный элемент схемы обычно неизвестно до завершения анализа. Следовательно, опорные направления токов часто назначаются произвольно. Когда схема решена, отрицательное значение тока означает, что фактическое направление тока через этот элемент схемы противоположно выбранному опорному направлению. [а] : 29
Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален разности потенциалов в этих двух точках. Вводя константу пропорциональности сопротивление , [20] приходим к обычному математическому уравнению, описывающему эту зависимость: [21]
где I — ток через проводник в единицах ампер , V — разность потенциалов, измеренная на проводнике в единицах вольт , а R — сопротивление проводника в единицах ом . Более конкретно, закон Ома гласит, что R в этом отношении является постоянным и не зависит от тока. [22]
В системах переменного тока (AC) движение электрического заряда периодически меняет направление. [ нужна цитация ] Переменный ток — это форма электроэнергии, наиболее часто поставляемая на предприятия и в жилые дома. Обычной формой сигнала силовой цепи переменного тока является синусоидальная волна , хотя в некоторых приложениях используются альтернативные формы волны, такие как треугольные или прямоугольные волны . Звуковые и радиосигналы , передаваемые по электрическим проводам, также являются примерами переменного тока. Важной целью в этих приложениях является восстановление информации, закодированной (или модулированной ) в сигнал переменного тока.
Напротив, постоянный ток (DC) относится к системе, в которой движение электрического заряда происходит только в одном направлении (иногда называемом однонаправленным потоком). [23] Постоянный ток производится такими источниками, как батареи , термопары , солнечные элементы и электрические машины коллекторного типа типа динамо . Переменный ток также можно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителя . Постоянный ток может течь в проводнике , таком как провод, но также может течь через полупроводники , изоляторы или даже через вакуум , как в электронных или ионных пучках . Старое название постоянного тока — гальванический ток . [24]
Несмотря на то, что постоянный ток математически и концептуально проще переменного тока, на самом деле он менее широко используется, чем переменный ток. Однако из-за универсальности электрических цепей во многих ситуациях требуется использование одного типа электрического тока вместо другого.
Переменный ток почти всегда используется для передачи электроэнергии потребителям. [25] Причиной этого является совокупность множества исторических и технологических деталей.
Помимо солнечной энергии, большинство методов производства электроэнергии производят переменный ток. Чтобы распределять электроэнергию в виде постоянного тока, необходимо использовать выпрямитель для преобразования исходного переменного тока в постоянный. Однако ректификация представляет собой сложное, дорогостоящее и до недавнего времени преобразование с довольно большими потерями, особенно в масштабах электростанций. Это сделало исторически неэффективным преобразование переменного тока, вырабатываемого электростанциями, в постоянный ток для распределения.
Вдоль линий электропередачи, соединяющих электростанции с потребителями, напряжение повышается и понижается, чтобы уменьшить потери тепла, часто в несколько раз. Хотя постоянный ток по своей природе испытывает меньшие тепловые потери, чем переменный ток, его нельзя повысить или понизить с помощью трансформаторов. Это связано с тем, что трансформаторы работают по принципу индукции: изменяющееся электрическое поле, создаваемое переменным током, генерирует изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) более высокого или низкого напряжения в подключенной линии электропередачи. Однако постоянный ток обычно не сильно колеблется, что приводит к неизменному электрическому полю, которое не создает магнитного поля, что делает индукцию невозможной. Хотя в настоящее время существует технология изготовления трансформаторов постоянного тока, они более сложны, массивны и дороги, чем трансформаторы переменного тока, а когда в большинстве стран мира строились инфраструктурные электросети, такой технологии либо не существовало, либо ее использование было неэффективным.
Однако в некоторых случаях, особенно при передаче электроэнергии на большие расстояния ( HVDC ), используется постоянный ток. Основная проблема при использовании постоянного тока в коммерческой передаче электроэнергии — это изменение напряжения для потребителей, но это связано с тем, что напряжение меняется несколько раз. В целях безопасности напряжение снижается по мере приближения к потребителям, чтобы предотвратить прохождение линий невероятно высокого напряжения через густонаселенные жилые районы. Однако, если необходима передача постоянного напряжения на большие расстояния, постоянный ток превосходит переменный. Постоянный ток лучше переносится на расстояние [26] и испытывает меньшие потери тепла, поскольку скин-эффект наблюдается только в системах переменного тока. [27] Кроме того, противофазные системы переменного тока можно подключать только через постоянный ток. Например, энергосистема США разделена на три асинхронные системы переменного тока. Для передачи энергии между любой из этих систем необходимо использовать постоянный ток в качестве посредника при передаче. [26]
Бытовые электронные устройства в подавляющем большинстве используют постоянный ток. Это связано с природой основных компонентов схемы. Многие важные компоненты электронных устройств, такие как транзисторы , диоды и логические элементы , работают по одностороннему принципу; диод, например, пропускает ток только в одном фиксированном направлении. Попытка использовать переменный ток с такими компонентами чрезвычайно усложнила бы проектирование схем, требуя, чтобы конструкции функционировали симметрично относительно направления тока. Кроме того, процессоры обновляются миллионы раз в секунду, что намного быстрее, чем всего лишь 100/120 раз в секунду, когда переменный ток меняет полярность. Это приведет к огромным несоответствиям в напряжении и производительности процессора, а это означает, что все устройства, использующие процессоры, также должны использовать постоянный ток.
Однако есть устройства, которым текущий тип безразличен из-за невероятно простого функционала. Эти устройства, такие как лампы накаливания или некоторые тостеры, работают за счет пропускания тока через элементы с высоким сопротивлением, испуская электромагнитное излучение . Как на переменный, так и на постоянный ток влияет сопротивление, поэтому используемый тип тока не имеет значения, хотя для обоих типов может потребоваться использование разных напряжений для получения одинаковых результатов.
На уроках ЭМ университетского уровня, будь то алгебра или исчисление, постоянный ток обычно используется в качестве введения в электрический ток. Это связано с тем, что постоянный ток математически и концептуально проще переменного тока. Постоянный постоянный ток, возможно, гораздо более интуитивен, чем тот, который меняется много раз в секунду. Источники питания постоянного тока также легко добавлять в схемы как в теории, так и на практике. Однако для переменного тока необходимо учитывать фазу при работе с несколькими источниками питания; независимо от того, отключена ли фаза на 0 или π, существенно меняется функциональность схемы. Кроме того, цепи с емкостными и индуктивными элементами очень легко математически представить с помощью постоянного тока. Заряд конденсатора и сопротивление катушки индуктивности асимптотически стабилизируются со временем, что означает, что системы постоянного тока в конечном итоге достигают устойчивого состояния (обычно довольно быстро в задачах математической практики). Такие системы легко анализировать, как только они достигают устойчивого состояния, и даже системы, которые не стабилизировались, анализировать не так уж сложно, поскольку все необходимые формулы являются относительно простыми функциями времени и начального/конечного напряжения. С другой стороны, переменный ток никогда не достигает устойчивого состояния. Колебание тока означает, что в цепи всегда будут меняться емкостные и индуктивные эффекты, что усложняет математический анализ схемы. Хотя необходимые формулы для этих эффектов по-прежнему являются относительно простыми функциями времени и напряжения, напряжение теперь является синусоидальной функцией времени, не говоря уже о задержке фазы и пересылке в емкостных и индуктивных элементах.
Проявления электрического тока можно разделить на три основных типа: неорганические , биологические и технологические .
Электростатические материалы – пьезоэлектричество – геофизический поток расплавленного железа.
Естественные наблюдаемые примеры электрического тока включают статический электрический разряд и электричество в мантии Земли. Электростатика была одним из первых открытий неорганического электричества, встречающегося в природе. Уже в начале истории было обнаружено, что некоторые виды камня и смолы, например янтарь, могут становиться электростатическими при трении. Если потереть янтарь, он станет отрицательно заряженным. Пьезоэлектричество возникает при приложении механического напряжения к определенным кристаллам, в результате чего они становятся электрически поляризованными. Оксид железа (FeO), составляющий 9% мантии Земли, проводит электричество (особенно в расплавленном состоянии); Считается, что это способствует вращению Земли.
Атмосферное явление
Вспышки молний также являются одним из самых ранних обнаруженных естественных наблюдаемых примеров электрического тока. Электрический заряд может накапливаться вертикально в плотных облаках, что приводит к возникновению молний , которые вспышками разряжаются на землю. Вспышки следуют по пути наименьшего электрического сопротивления в воздухе.
Во второй половине XIX и первой половине XX века было обнаружено, что солнечный ветер является источником полярных сияний , возникающих в атмосфере вблизи Северного и Южного полюсов. Северное и южное полярные сияния порождаются потоками заряженных частиц, исходящими от Солнца, которые возникают при высокой солнечной активности (временно сильные солнечные вспышки ).
Космические явления
Открытие Кристианом Биркеландом токов Биркеланда послужило толчком к дальнейшим исследованиям электрических явлений в магнитосфере и в космосе. Благодаря исследованиям таких новаторских ученых и инженеров, как Ханнес Альфвен , Ирвинг Ленгмюр и Дональд Э. Скотт, было обнаружено, что электричество повсеместно распространено во Вселенной. Плазма составляет большую часть материи в космосе; плазма электрически заряжена. Сейчас считается, что космические нити, наполненные плазмой, вероятно, ответственны за передачу электричества во Вселенной. Недавние астрофизические исследования показывают, что такие нити могут передавать электричество как между галактиками, так и между звездными скоплениями. Нейтронные звезды, пульсары, магнетары, квазары и астрофизические джеты играют важную роль в космических электрических явлениях. Предполагается, что звездообразование в скоплениях частично происходит за счет этих нитей, поскольку звездообразование в основном происходит вдоль струн, следующих за плазменными нитями. Считается, что межгалактические плазменные нити медленно вращаются из-за своего электрического заряда, который генерирует многослойные концентрические электромагнитные поля. Это вращение нитей может объяснять положение и вращение галактик. Это область постоянных научных исследований. Космический телескоп Джеймса Уэбба дает новую информацию, которая позволит провести дальнейшие астрофизические исследования этого предмета.
Нервная система и электромагнитная чувствительность
Биологическим примером тока является поток ионов в нейронах и нервах, отвечающий как за активность мозга, так и за сенсорное восприятие. Нейроны встречаются у всех животных, даже у очень мелких животных, таких как морские звезды и морские коньки. Развитие мозга более существенно у высших организмов, обеспечивая возможность мышления и памяти. Сознание возможно у высших организмов, включая человека. Некоторые млекопитающие, такие как киты и дельфины, способны к беспроводной связи благодаря активности мозга или квантовым эффектам . Стая этих морских млекопитающих может общаться, например, чтобы предупреждать друг друга о хищниках. Перелетные птицы могут чувствовать магнитное поле Земли, используя его для координации своего полета. Некоторые мигрирующие морские животные, такие как лосось и морские черепахи, также используют магнитное поле Земли для навигации во время миграции на большие расстояния.
Электрорецепция и электрогенез
Электрорецептивные животные обладают способностью воспринимать естественные электрические стимулы. У электрогенных животных, таких как угри, есть органы, способные производить электрический разряд – в качестве средства защиты или в рамках поведения хищника.
Фотосинтез и электрификация механической энергии.
Некоторые виды растений могут генерировать электричество на микроскопическом уровне либо посредством фотосинтеза, либо посредством электрификации механической энергии. Например, олеандр способен улавливать механическую энергию ветра, шевелящего его листья, и преобразовывать ее в электричество для использования в растении. Естественный фотосинтез хлорофилла очень эффективен при преобразовании солнечного света в электричество, которое затем приводит к химическому образованию глюкозы. Это электричество также можно использовать искусственно в фотобиоэлектрохимической ячейке.
Искусственные явления электрического тока включают контролируемый поток электронов проводимости в металлических проводах, таких как воздушные линии электропередачи для доставки энергии на большие расстояния, а также в проводах меньшего размера внутри электрических и электронных устройств. [ нужна цитация ] Вихревые токи — это электрические токи, возникающие в проводниках, подвергающихся воздействию изменяющихся магнитных полей. [ нужна цитация ] Точно так же возникают электрические токи, особенно на поверхности проводников, подвергающихся воздействию электромагнитных волн . Когда в радиоантеннах текут колебательные электрические токи с правильным напряжением , генерируются радиоволны .
Пантографы являются примером передачи электроэнергии через скользящий контакт. Пантограф позволил провести масштабную электрификацию железных дорог, сетей метрополитена, трамвая, а также сети троллейбусов .
Подводные соединительные линии позволяют осуществлять крупномасштабную передачу электроэнергии между странами.
В электронике другие формы электрического тока включают поток электронов через резисторы или через вакуум в вакуумной трубке , поток ионов внутри батареи и поток дырок в металлах и полупроводниках .
Недавно разработанным вариантом использования электрического тока является беспроводная зарядка аккумуляторов, например, для использования в телефонах и электромобилях. Теорема Пойнтинга показывает, что электрическая энергия может передаваться от A к B без проведения тока от A к B. Это достигается за счет использования одной или нескольких катушек в A. Катушки генерируют электромагнитное поле, которое передает электрическую энергию к B. Беспроводная зарядка устройства потенциально могут быть интегрированы в мебель, стены или дорожные покрытия. В настоящее время проводятся исследования в области беспроводной зарядки на большие расстояния .
Ток можно измерить с помощью амперметра . [28] [29] [30] Хотя гальванометр обеспечивает прямое измерение электрического тока, он требует разрыва электрической цепи, что может быть неудобно для некоторых применений. [ нужна цитация ] Ток также можно измерить, не разрывая цепь, путем обнаружения магнитного поля, связанного с током. [31] Устройства на уровне схемы используют различные методы измерения тока:
Джоулев нагрев, также известный как омический нагрев и резистивный нагрев , представляет собой процесс рассеивания мощности [34] : 36 , посредством которого прохождение электрического тока через проводник увеличивает внутреннюю энергию проводника, [35] : 846 преобразуя термодинамическую работу в тепло . [35] : 846, сн. 5 Это явление было впервые изучено Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1841 году. Джоуль погружал отрезок провода в фиксированную массу воды и измерял повышение температуры под действием известного тока, проходящего через провод, в течение 30 минут . Изменяя ток и длину провода, он пришел к выводу, что выделяемое тепло пропорционально квадрату тока, умноженному на электрическое сопротивление провода.
Эта зависимость известна как закон Джоуля . [34] : 36 Единица энергии в системе СИ впоследствии была названа джоулем и получила символ J. [7] : 20 Широко известная единица мощности в системе СИ — ватт (обозначение: Вт) — эквивалентна одному джоулю в секунду. [7] : 20
В электромагните катушка проводов ведет себя как магнит , когда через нее протекает электрический ток. [36] [37] При отключении тока катушка немедленно теряет магнетизм. Электрический ток создает магнитное поле . [38] Магнитное поле можно представить как узор из круглых силовых линий, окружающих провод, который сохраняется до тех пор, пока существует ток.
Магнитные поля также можно использовать для создания электрического тока. Когда к проводнику прикладывается изменяющееся магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) [35] : 1004 , которая запускает электрический ток, когда есть подходящий путь.
Когда электрический ток течет по проводнику подходящей формы на радиочастотах , могут генерироваться радиоволны . Они движутся со скоростью света и могут вызывать электрические токи в отдаленных проводниках.
В металлических твердых телах электрический заряд течет посредством электронов от более низкого электрического потенциала к более высокому . В других средах любой поток заряженных объектов (например, ионов) может представлять собой электрический ток. Чтобы дать определение тока независимо от типа носителей заряда, обычный ток определяется как движущийся в том же направлении, что и поток положительного заряда. Итак, в металлах, где носители заряда (электроны) отрицательны, обычный ток движется в направлении, противоположном общему движению электронов. В проводниках, где носители заряда положительны, обычный ток течет в том же направлении, что и носители заряда.
В вакууме может образоваться пучок ионов или электронов. В других проводящих материалах электрический ток возникает вследствие одновременного потока как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. В третьих ток полностью обусловлен потоком положительного заряда . Например, электрические токи в электролитах представляют собой потоки положительно и отрицательно заряженных ионов. В обычном свинцово-кислотном электрохимическом элементе электрические токи состоят из положительных ионов гидроксония , текущих в одном направлении, и отрицательных ионов сульфата, текущих в другом. Электрические токи в искрах или плазме представляют собой потоки электронов, а также положительных и отрицательных ионов. Во льду и в некоторых твердых электролитах электрический ток полностью состоит из текущих ионов.
В металле некоторые внешние электроны в каждом атоме не связаны с отдельными молекулами, как в молекулярных твердых телах , или не образуют полные полосы, как в изоляционных материалах, но могут свободно перемещаться внутри металлической решетки . Эти электроны проводимости могут служить носителями заряда , переносящими ток. Металлы обладают особенной проводимостью, поскольку в них много свободных электронов. Без приложения внешнего электрического поля эти электроны движутся хаотично из-за тепловой энергии , но в среднем чистый ток внутри металла равен нулю. При комнатной температуре средняя скорость этих хаотичных движений составляет 10 6 метров в секунду. [39] Учитывая поверхность, через которую проходит металлическая проволока, электроны движутся по поверхности в обоих направлениях с одинаковой скоростью. Как писал Георгий Гамов в своей научно-популярной книге « Один, два, три... бесконечность» (1947): «Металлические вещества отличаются от всех других материалов тем, что внешние оболочки их атомов связаны довольно свободно и часто позволяют один из их электронов выходит на свободу. Таким образом, внутренняя часть металла заполняется большим количеством неприсоединившихся электронов, которые бесцельно перемещаются, как толпа перемещенных лиц. Когда металлический провод подвергается воздействию электрической силы, приложенной к его противоположным концам, они свободные электроны устремляются в направлении силы, образуя тем самым то, что мы называем электрическим током».
Когда металлический провод подсоединяется к двум клеммам источника постоянного напряжения , такого как батарея , источник создает электрическое поле через проводник. В момент установления контакта свободные электроны проводника под действием этого поля вынуждены дрейфовать к положительному полюсу. Таким образом, свободные электроны являются носителями заряда в типичном твердом проводнике.
Для устойчивого потока заряда через поверхность ток I (в амперах) можно рассчитать по следующему уравнению: где Q — электрический заряд, переносимый через поверхность за время t . Если Q и t измеряются в кулонах и секундах соответственно, I измеряется в амперах.
В более общем смысле электрический ток можно представить как скорость, с которой заряд протекает через данную поверхность:
Электрические токи в электролитах представляют собой потоки электрически заряженных частиц ( ионов ). Например, если к раствору Na + и Cl − приложить электрическое поле (и условия подходящие), ионы натрия движутся к отрицательному электроду (катоду), а ионы хлорида движутся к положительному электроду (аноду). Реакции происходят на обеих поверхностях электрода, нейтрализуя каждый ион.
Водяной лед и некоторые твердые электролиты, называемые проводниками протонов , содержат положительные ионы водорода (« протоны »), которые являются подвижными. В этих материалах электрические токи состоят из движущихся протонов, в отличие от движущихся электронов в металлах.
В некоторых смесях электролитов движущиеся электрические заряды представляют собой ярко окрашенные ионы. Медленное развитие цвета делает ток видимым. [40]
В воздухе и других обычных газах ниже поля пробоя основным источником электропроводности является относительно небольшое количество мобильных ионов, образующихся радиоактивными газами, ультрафиолетовым светом или космическими лучами. Поскольку электропроводность низкая, газы являются диэлектриками или изоляторами . Однако, как только приложенное электрическое поле приближается к значению пробоя , свободные электроны достаточно ускоряются электрическим полем, чтобы создать дополнительные свободные электроны путем сталкивания и ионизации атомов или молекул нейтрального газа в процессе, называемом лавинным пробой . В процессе распада образуется плазма , содержащая достаточно подвижных электронов и положительных ионов, чтобы сделать ее электрическим проводником. При этом он образует светоизлучающий проводящий путь, такой как искра , дуга или молния .
Плазма — это состояние вещества, при котором некоторые электроны газа отрываются или «ионизируются» от своих молекул или атомов. Плазма может быть образована при высокой температуре или при приложении сильного электрического или переменного магнитного поля, как отмечалось выше. Из-за своей меньшей массы электроны в плазме ускоряются под действием электрического поля быстрее, чем более тяжелые положительные ионы, и, следовательно, переносят большую часть тока. Свободные ионы рекомбинируются с образованием новых химических соединений (например, расщепляя атмосферный кислород на простой кислород [O 2 → 2O], который затем рекомбинирует с образованием озона [O 3 ]). [41]
Поскольку « идеальный вакуум » не содержит заряженных частиц, он обычно ведет себя как идеальный изолятор. Однако металлические поверхности электродов могут привести к тому, что область вакуума станет проводящей, инжектируя свободные электроны или ионы посредством автоэлектронной или термоэлектронной эмиссии . Термоэлектронная эмиссия возникает, когда тепловая энергия превышает работу выхода металла , а полевая электронная эмиссия возникает, когда электрическое поле на поверхности металла достаточно велико, чтобы вызвать туннелирование , что приводит к выбросу свободных электронов из металла в вакуум. Электроды с внешним нагревом часто используются для создания электронного облака, например, в нити накала или катоде с косвенным нагревом в вакуумных лампах . Холодные электроды также могут самопроизвольно создавать электронные облака посредством термоэлектронной эмиссии, когда образуются небольшие раскаленные области (называемые катодными или анодными пятнами ). Это раскаленные участки поверхности электрода, создаваемые локализованным сильным током. Эти области могут быть инициированы автоэлектронной эмиссией , но затем поддерживаются локализованной термоэлектронной эмиссией, когда образуется вакуумная дуга . Эти небольшие области электронной эмиссии могут образовываться довольно быстро, даже взрывно, на металлической поверхности, подвергнутой сильному электрическому полю. Вакуумные лампы и спрайтроны являются одними из электронных переключающих и усиливающих устройств, основанных на вакуумной проводимости.
Сверхпроводимость — это явление точно нулевого электрического сопротивления и изгнания магнитных полей , возникающее в некоторых материалах при охлаждении ниже характерной критической температуры . Его обнаружил Хайке Камерлинг-Оннес 8 апреля 1911 года в Лейдене . Подобно ферромагнетизму и атомным спектральным линиям , сверхпроводимость является квантовомеханическим явлением. Он характеризуется эффектом Мейснера — полным выбросом силовых линий магнитного поля из внутренней части сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Возникновение эффекта Мейсснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике .
В полупроводнике иногда полезно думать о токе как о потоке положительных « дырок » (подвижных носителей положительного заряда, которые представляют собой места, где в полупроводниковом кристалле отсутствует валентный электрон). Это имеет место в полупроводнике p-типа. Полупроводник имеет электропроводность, промежуточную по величине между проводимостью проводника и изолятора . Это означает проводимость примерно в диапазоне от 10 −2 до 10 4 сименсов на сантиметр (См⋅см −1 ).
В классических кристаллических полупроводниках электроны могут иметь энергию только в определенных зонах (т.е. диапазонах уровней энергии). С энергетической точки зрения эти зоны расположены между энергией основного состояния, состояния, в котором электроны прочно связаны с атомными ядрами материала, и энергией свободных электронов, причем последняя описывает энергию, необходимую электрону для полного выхода из атомного ядра. материал. Каждая энергетическая зона соответствует множеству дискретных квантовых состояний электронов, и большинство состояний с низкой энергией (ближе к ядру) заняты, вплоть до определенной зоны, называемой валентной зоной . Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов тем, что валентная зона в любом металле почти заполнена электронами в обычных условиях эксплуатации, в то время как очень мало (полупроводник) или практически нет (изолятор) из них доступны в зоне проводимости , зоне непосредственно над валентная зона.
Легкость возбуждения электронов в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости зависит от ширины запрещенной зоны между зонами. Размер этой энергетической запрещенной зоны служит произвольной разделительной линией (примерно 4 эВ ) между полупроводниками и изоляторами .
При ковалентной связи электрон перемещается, перепрыгивая на соседнюю связь. Принцип исключения Паули требует, чтобы электрон был поднят в более высокое разрыхляющее состояние этой связи. Для делокализованных состояний, например, в одном измерении – то есть в нанопроволоке – для каждой энергии существует состояние, в котором электроны текут в одном направлении, и другое состояние, в котором электроны текут в другом. Чтобы чистый ток протекал, должно быть занято больше состояний для одного направления, чем для другого направления. Чтобы это произошло, необходима энергия, поскольку в полупроводнике следующие более высокие состояния лежат над запрещенной зоной. Часто это утверждают так: полные зоны не вносят вклада в электропроводность . Однако, когда температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля , в полупроводнике появляется больше энергии, которую можно потратить на колебания решетки и на возбуждение электронов в зону проводимости. Электроны, несущие ток в зоне проводимости, известны как свободные электроны , хотя их часто называют просто электронами , если это ясно из контекста.
Плотность тока — это скорость, с которой заряд проходит через выбранную единицу площади. [42] : 31 Он определяется как вектор , величина которого равна силе тока на единицу площади поперечного сечения. [5] : 749 Как обсуждалось в разделе «Опорное направление», направление является произвольным. Условно, если движущиеся заряды положительны, то плотность тока имеет тот же знак, что и скорость зарядов. Для отрицательных зарядов знак плотности тока противоположен скорости движения зарядов. [5] : 749 В единицах СИ плотность тока (символ: j) выражается в базовых единицах СИ — амперах на квадратный метр. [7] : 22
В линейных материалах, таких как металлы, и при низких частотах плотность тока по поверхности проводника одинакова. В таких условиях закон Ома гласит, что ток прямо пропорционален разности потенциалов между двумя концами (поперек) этого металлического (идеального) резистора (или другого омического устройства ):
где сила тока, измеряемая в амперах; – разность потенциалов , измеряемая в вольтах ; и – сопротивление , измеряемое в Омах . Для переменных токов , особенно на более высоких частотах, скин-эффект приводит к неравномерному распределению тока по поперечному сечению проводника с более высокой плотностью вблизи поверхности, что увеличивает кажущееся сопротивление.
Подвижные заряженные частицы внутри проводника постоянно движутся в случайных направлениях, подобно частицам газа . (Точнее, ферми-газ .) Чтобы создать чистый поток заряда, частицы также должны двигаться вместе со средней скоростью дрейфа. Электроны являются носителями заряда в большинстве металлов и следуют по хаотичной траектории, прыгая от атома к атому, но обычно дрейфуя в направлении, противоположном электрическому полю. Скорость, с которой они дрейфуют, можно рассчитать по уравнению: где
Обычно электрические заряды в твердых телах текут медленно. Например, в медном проводе сечением 0,5 мм 2 , по которому протекает ток 5 А, скорость дрейфа электронов составляет порядка миллиметра в секунду. Возьмем другой пример: в почти вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в десятую часть скорости света .
Любой ускоряющийся электрический заряд и, следовательно, любой изменяющийся электрический ток порождают электромагнитную волну, которая распространяется с очень большой скоростью за пределы поверхности проводника. Эта скорость обычно составляет значительную часть скорости света, как можно вывести из уравнений Максвелла , и поэтому во много раз превышает скорость дрейфа электронов. Например, в линиях электропередачи переменного тока волны электромагнитной энергии распространяются через пространство между проводами, перемещаясь от источника к удаленной нагрузке , хотя электроны в проводах движутся вперед и назад только на небольшое расстояние.
Отношение скорости электромагнитной волны к скорости света в свободном пространстве называется коэффициентом скорости и зависит от электромагнитных свойств проводника и окружающих его изоляционных материалов, а также от их формы и размеров.
Величины (а не природа) этих трех скоростей можно проиллюстрировать аналогией с тремя аналогичными скоростями, связанными с газами. (См. также гидравлическую аналогию .)
«Интенсивность тока» обычно называют самим «током».
Закон Ома, ток, пропорциональный сопротивлению напряжению.
Закон Ома ток прямо пропорционален.
