Nosilci električnega toka

Elektriko danes običajno definiramo kot "električne naboje in z njimi povezana elektromagnetna polja". Sam obstoj električnih nabojev razkriva njihovo močno delovanje na druge naboje. Prostor okoli vsakega naboja ima posebne lastnosti: v njem delujejo električne sile, ki se pokažejo, ko v ta prostor vnesemo druge naboje. To je takšen prostor sila električnega polja.

Medtem ko naboji mirujejo, ima prostor med njimi lastnosti električno (elektrostatično) polje… Ko pa se naboji premikajo, so tudi okoli njih magnetno polje… Lastnosti električnega in magnetnega polja obravnavamo ločeno, v resnici pa so električni procesi vedno povezani z obstojem elektromagnetno polje.

Najmanjši električni naboji so vključeni kot komponente atom... Atom je najmanjši del kemijskega elementa, ki nosi njegove kemijske lastnosti. Atom je zelo kompleksen sistem. Večina njegove mase je skoncentrirana v jedru. Električno nabiti osnovni delci se vrtijo okoli slednjih po določenih orbitah — elektroni.

Gravitacijske sile skrbijo, da se planeti gibljejo okoli Sonca po orbitah, elektrone pa privlačijo jedro atoma z električnimi silami. Iz izkušenj je znano, da se privlačijo le nasprotni naboji. Zato morata biti naboja na jedru atoma in elektrona različna po predznaku. Zaradi zgodovinskih razlogov je običajno, da je naboj jedra pozitiven, naboj elektronov pa negativen.

Številni poskusi so pokazali, da imajo elektroni atomov vsakega elementa enak električni naboj in enako maso. Hkrati je elektronski naboj elementaren, to je najmanjši možni električni naboj.

Običajno je razlikovati med elektroni, ki se nahajajo v notranjih orbitah atoma, in v zunanjih orbitah. Notranji elektroni se razmeroma tesno držijo v svojih orbitah zaradi znotrajatomskih sil. Toda zunanji elektroni se lahko razmeroma enostavno ločijo od atoma in nekaj časa ostanejo prosti ali se pritrdijo na drug atom. Kemične in električne lastnosti atoma določajo elektroni v njegovih zunanjih orbitah.

Velikost pozitivnega naboja na jedru atoma določa, ali atom pripada določenemu kemičnemu elementu. Atom (ali molekula) je električno nevtralen, dokler je vsota negativnih nabojev na elektronih enaka pozitivnemu naboju na jedru. Toda atom, ki je izgubil enega ali več elektronov, postane pozitivno nabit zaradi presežka pozitivnega naboja na jedru. Lahko se premika pod vplivom električnih sil (privlačnih ali odbojnih). Takšen atom je pozitivni ion… Atom, ki je ujel odvečne elektrone, postane negativni ion.

Nosilec pozitivnega naboja v jedru atoma je proton… Je osnovni delec, ki služi kot jedro atoma vodika. Pozitivni naboj protona je številčno enak negativnemu naboju elektrona, vendar je masa protona 1836-krat večja od mase elektrona. Atomska jedra poleg protonov vsebujejo tudi nevtrone - delce, ki nimajo električnega naboja. Masa nevtrona je 1838-krat večja od mase elektrona.

Tako imata od treh elementarnih delcev, ki sestavljajo atome, samo elektron in proton električni naboj, vendar se od teh le negativno nabiti elektroni zlahka gibljejo znotraj snovi, pozitivni naboji pa se lahko v normalnih pogojih gibljejo samo v obliki težkih ionov, to je prenos atomov snovi.

Nastane urejeno gibanje električnih nabojev, to je gibanje, ki ima prevladujočo smer v prostoru elektrika… Delci, katerih gibanje ustvarja električni tok — Nosilci toka so v večini primerov elektroni in veliko manj pogosto ioni.

Če upoštevamo nekaj netočnosti, je mogoče tok definirati kot usmerjeno gibanje električnih nabojev. Nosilci toka se lahko bolj ali manj prosto gibljejo v snovi.

Iz žic imenujemo snovi, ki relativno dobro prevajajo tok. Vse kovine so prevodniki, zlasti srebro, baker in aluminij.

Prevodnost kovin je razloženo z dejstvom, da so v njih nekateri zunanji elektroni ločeni od atomov. Pozitivni poskusi, ki so posledica izgube teh elektronov, so povezani v kristalno mrežo — trden (ionski) skelet, v prostorih katerega so prosti elektroni v obliki neke vrste elektronskega plina.

Najmanjše zunanje električno polje ustvari tok v kovini, to pomeni, da prisili proste elektrone, da se mešajo v smeri električnih sil, ki delujejo nanje. Za kovine je značilno zmanjšanje prevodnosti z naraščajočo temperaturo.

Polprevodniki prevajajo električni tok veliko slabše kot žice. Zelo veliko snovi spada med polprevodnike in njihove lastnosti so zelo raznolike. Za polprevodnike je značilna elektronska prevodnost (to pomeni, da tok v njih nastane, tako kot v kovinah, z usmerjenim gibanjem prostih elektronov - ne ionov) in za razliko od kovin povečanje prevodnosti z naraščajočo temperaturo. Na splošno je za polprevodnike značilna tudi močna odvisnost njihove prevodnosti od zunanjih vplivov - sevanja, tlaka itd.

Dielektriki (izolatorji) praktično ne prevajajo toka. Zunanje električno polje povzroči npolarizacija atomov, molekul ali ionov dielektrikovpremik pod delovanjem zunanjega polja elastično vezanih nabojev, ki tvorijo atom ali dielektrično molekulo. Število prostih elektronov v dielektrikih je zelo majhno.

Ne morete določiti trdih meja med prevodniki, polprevodniki in dielektriki. V električnih napravah žice služijo kot pot za gibanje električnih nabojev, dielektriki pa so potrebni za pravilno usmerjanje tega gibanja.

Električni tok nastane zaradi delovanja na naboje sil neelektrostatičnega izvora, ki jih imenujemo zunanje sile.V žici ustvarijo električno polje, ki prisili pozitivne naboje, da se premikajo v smeri silnic polja, negativne naboje, elektrone, pa v nasprotno smer.

Koristno je razjasniti koncept translacijskega gibanja elektronov v kovinah. Prosti elektroni so v stanju naključnega gibanja v prostoru med atomi, v obratnem toplotnem gibanju molekul. Toplotno stanje telesa povzročajo trki molekul med seboj in trki elektronov z molekulami.

Elektron trči z molekulami in spremeni smer svojega gibanja, vendar se postopoma še naprej premika naprej in opisuje zelo zapleteno krivuljo. Dolgotrajno gibanje nabitih delcev v eni določeni smeri, ki je prekrito z njihovim kaotičnim gibanjem v različnih smereh, se imenuje njihov drift. Tako je električni tok v kovinah po sodobnih pogledih odnašanje nabitih delcev.