Електричний струм і електропровідність речовини

Електричний струм. У речовині, вміщеному в електричне поле, під дією сил поля виникає процес руху елементарних носіїв електрики – електронів або іонів. Рух цих електрично заряджених часток матерії називають електричним струмом.
За одиницю сили струму прийнятий ампер (А). Це такий струм, при якому через поперечний переріз провідника щосекунди проходить кількість електрики, рівне 1 Кл. Силу струму іноді вимірюють тисячними частками ампера – міліампер (мА) або мільйонними частками ампера – мікроамперах (мкА), а при великих значеніях- тисячами ампер – кілоампер (кА), у формулах ток позначають буквою I (i).
В електротехніці широко застосовують як постійний, так і змінний струм. Постійним називають струм, значення і напрямок якого в будь-який момент часу залишаються незмінними (рис. 9, а).
Струми, значення і напрям яких не залишаються постійними, називають змінними, або змінними. Найчастіше в електротехнічних пристроях використовують струм, що змінюється за синусоїдальним законом, який отримують від генераторів змінного струму та трансформаторів (рис. 9, б). Від випрямлячів отримують пульсуючий струм (рис. 9, в), незмінний за напрямком, але мінливий по величині.

Рис. 9. Залежності струму від часу: а – постійний струм; б – змінний синусоїдальний струм; в – пульсуючий струм Рис. 9. Залежності струму від часу: а – постійний струм; б – змінний синусоїдальний струм; в – пульсуючий струм

Електропровідність. Властивість речовини проводити електричний струм під дією електричного поля називають електропровідністю. Електропровідність різних речовин залежить від концентрації вільних (т. Е. Не пов’язаних з атомами, молекулами або кристалічної структурою) електрично заряджених частинок. Чим більше концентрація цих частинок, тим більше електропровідність даної речовини. Всі речовини в залежності від електропровідності ділять на три групи: провідники, діелектрики (ізолюючі матеріали) і напівпровідники.
Провідники мають дуже високу електропровідність. Існують два роду провідників, які розрізняються фізичною природою протікання електричного струму. До провідникам першого роду відносяться метали. Проходження по них струму обумовлено рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками з електронною провідністю. Провідниками другого роду є розчини кислот, лугів і солей (в основному водні), звані електролітами. Проходження струму через електроліти пов’язане з рухом електрично заряджених частин молекул – позитивних і негативних іонів, т. Е. Електроліти є провідниками з іонною провідністю.
Є також речовини зі змішаною провідністю, в яких струм переноситься електронами і іонами. До них належать, наприклад, гази і пари в іонізованому стані.
Фізична природа електропровідності металів. Висока електропровідність металів добре пояснюється на основі електронної теорії. Відповідно до цієї теорії валентні електрони порівняно слабко пов’язані з їх ядрами. Тому вони вільно переміщаються між атомами, переходячи зі сфери дії одного атома в сферу дії іншого і заповнюючи простір між ними на зразок газу. Ці електрони прийнято називати вільними.
Вільні електрони / перебувають у стані безладного руху (рис. 10, а). Однак якщо внести металевий провідник в електричне поле, то вільні електрони під дією сил поля почнуть переміщатися в бік позитивного полюса (рис. 10, б), створюючи електричний струм. Таким чином, електричним струмом в металевих провідниках називається впорядкована (спрямований) рух вільних електронів.

Рис. 10. Схема виникнення електричного струму в металевих провідниках: а – безладний рух електронів; б – впорядкований рух електроновРіс. 10. Схема виникнення електричного струму в металевих провідниках: а – безладний рух електронів; б – впорядкований рух електронів

Металоїди мають на зовнішній оболонці велика кількість електронів і вони міцно утримуються близько своїх ядер. Тому металоїди, як правило, є діелектриками.
Швидкість проходження струму. Електричне поле поширюється в просторі з величезною швидкістю – 300 000 км / с, т. Е. Зі швидкістю світла. З такою ж швидкістю проходить і електричний струм в провіднику. Однак кожен окремий електрон рухається в середньому по провіднику зі швидкістю кілька міліметрів або сантиметрів в секунду (ця швидкість залежить від напруженості електричного поля).
Чим же пояснити таку швидкість поширення електричного струму? Причина в тому, що кожен електрон знаходиться в загальному електронному потоці, що заповнює провідник, і при проходженні електричного струму відчуває безперервне вплив з боку сусідніх електронів. Тому, хоча сам електрон рухається повільно, швидкість передачі руху від одного електрона до іншого (швидкість поширення електричної енергії) буде величезна. Наприклад, при включенні рубильника на електростанції практично миттєво з’являється струм в кожній ділянці електричного кола цілого міста, незважаючи на незначну швидкість руху електронів.

Посилання на основну публікацію