איך זרם חשמלי זורם במציאות?

כולנו מוקפים במספר עצום של מגוון רחב של מכשירים ומערכות שלמות על בסיסם, אשר במהלך תפקודם בדרך זו או אחרת צורכים זרם חשמלי. מושג הזרם החשמלי הוצג על מנת לתת תיאור של תהליך מהלכו מסוים בהירות, שהושגה עקב היווצרות תכליתית של אנלוגיה ישירה להידרודינמיקה דרך זרימת נוזל.

עם הצטברות הידע אודות החשמל, הוכח כי זרימת הזרם החשמלי היא בעיקר תנועה של שדה אלקטרומגנטי לאורך מדיום מוליך המתרחש במהירות שאינה שונה מדי מהמהירות סבטה. במקרה זה, השדה נע מנקודה עם פוטנציאל גבוה יותר לכיוון של נקודה עם פוטנציאל נמוך יותר, כלומר על פי התוכנית הקלאסית מפלוס למינוס.

תנועת נושאות המטען המתאימה, המלווה תהליך זה, מתרחשת גם היא, אך במהירות נמוכה באופן ניכר. בחומרים שונים זה מתרחש בכיוונים שונים.

זנים של נושאי מטען

ידוע שנושאי מטען מחולקים לחיוביים ושליליים. מטענים שליליים מוחזקים על ידי אלקטרונים ויונים, היונים שוררים בקרב נושאי מטען חיובי. מטענים שליליים נעים לפוטנציאל גבוה יותר, ואילו מטענים חיוביים נעים לפוטנציאל נמוך יותר. ובשני המקרים, זרם חשמלי מתעורר בסביבה.

מופיעה עמימות קלאסית, המתבטלת בהסכם קונבנציונאלי. ברמת הפוסטולציה, ההנחה היא שהזרם תמיד זורם מפלוס למינוס, ללא קשר לסוג המטענים.

תנועת המטענים במתכות

רוב המתכות בטמפרטורות החשובות כמעט לטכנולוגיית תקשורת חשמלית וחוטים נמצאות במצב מוצק ואין בהן יונים.

כתוצאה מכך, הזרם בחומרים מוליכים מוצקים נקבע לפי סוג המוליכות האלקטרוני, כלומר. אלקטרונים חופשיים (איור 1), אשר לקחת את הפונקציות של נושאות מטען, בתהליך של זרימת זרם, הם נעים בכיוון ההפוך לכיוון זרימת הזרם, תמונה 2.

אלקטרונים במתכות נקרעים בקלות על ידי שדה חשמלי ממסלולם, ולאורכו הם מסתובבים סביב אטומים בהיעדר הבדל פוטנציאלי. לפיכך, עם הבדל פוטנציאלי לא משמעותי, נוצרים מספר רב של נושאות מטען, כלומר למתכות עמידות חשמלית נמוכה יחסית.

תנועת מטענים במוליכים למחצה

מוליכים למחצה נחותים במידה ניכרת ממתכות במוליכות בטמפרטורת החדר. חומרים השייכים לקבוצה זו מחולקים למוליכים למחצה מסוג n ו- p. מוליכים למחצה מסוג n במצב רגיל יש עודף אלקטרונים, כאשר הם עוברים לסוג p זה בא לידי ביטוי חסר אלקטרונים, אך הנותרים עוברים בקלות יחסית ממצב מותר אחד באטומים אַחֵר. האחרון שווה ערך לתנועת מטענים חיוביים.

מאפיין של מוליכים למחצה הוא שמוליכותם עולה בחדות ככל שהטמפרטורה עולה: בגלל הקשר החלש עם האטומים, ככל שהיא עולה, מספר האלקטרונים הלא מאוגדים משתנה משמעותית.

לפיכך, כיוון תנועת המטענים במוליכים למחצה יכול לחפוף את כיוון זרימת הזרם (סוג p), ולהיות מנוגד לו (סוג n).

העברת מטענים בנוזלים וגזים

מאפיין של נוזלים וגזים הוא שיונים הם נושאי מטען בהם. הם יכולים להיות חיוביים (קטיונים) או שליליים (אניונים), איור 3. בהתאם, כאשר קטיונים שליליים שולטים, הם נעים "נגד הזרם", ואילו קטיונים חיוביים נעים "לאורך הזרם".