Электроны их движение и электрический ток

Электроны и электрический ток

В том случае, когда внешняя оболочка атома не заполнена полностью, силы, связывающие электроны с ядром, ослабевают. При тепловом воздействии эти электроны могут легко освобождаться, и, в результате, атом становится положительно заряженным ионом. Свободные электроны начинают перемещаться внутри вещества, пока не встретят другой ион, с которым они взаимодействуют и остаются связанными. Этот процесс генерации свободных электронов и их последующего захвата непрерывен, и поэтому можно представить, что вещество как бы пропитано отрицательно заряженным «газом».

Если к противоположным концам материала, состоящего из этого вещества, применить разные электрические потенциалы, свободные электроны начнут быстро двигаться к контакту с положительным потенциалом. По мере своего движения они сталкиваются с атомами вещества, что приводит к выделению энергии, которую мы воспринимаем как тепло. В результате электроны дрейфуют к положительному контакту со стабильной скоростью. Это движение электронов создает электрический ток.

Таким образом, электроны поглощаются положительным контактом источника напряжения, а отрицательный контакт эмитирует электроны. Разницу в потенциале можно рассматривать как своего рода «электронный насос».

Данная модель позволяет легко объяснить множество наблюдаемых явлений. Средняя скорость движения электронов увеличивается с увеличением разности потенциалов, что приводит к пропорциональному увеличению электрического тока. Тепло выделяется в результате взаимодействия электронов и атомов. Этот эффект также известен как тепловое действие тока или нагревание электрическим током.

Автора известного закона Георга Симона Ома называют омическими проводниками материалы, в которых наблюдаются подобные эффекты. Закон Ома гласит, что омические проводники:

\frac{V}{I} = \text{const}

Константа в этом выражении представляет собой электрическое сопротивление материала, обозначаемое символом R. Если напряжение V измеряется в вольтах, а ток I в амперах, то электрическое сопротивление R выражается в омах.

Важно отметить, что электрическое сопротивление не всегда остается постоянным и может иметь различные формы. В некоторых материалах, под воздействием различных факторов, таких как нагрев или другие электрические эффекты, отношение V/I принимает комплексную форму. Это значит, что сопротивление материала может состоять из нескольких компонентов, включая активное (омическое) сопротивление, реактивное (емкостное и индуктивное) сопротивление, и комплексное сопротивление, которое представляет собой векторную сумму активной и реактивной составляющих.

Если связи между электронами на внешней орбите атомов достаточно крепкие, то в материале будет всего лишь небольшое количество свободных электронов. Под воздействием разности потенциалов двигаться начнут только эти свободные электроны, и, следовательно, ток будет невелик. Материалы с такими характеристиками называются диэлектриками.

Электрический ток

Электрический ток — это поток электрически заряженных частиц (обычно электронов) в проводнике. Он представляет собой движение электронов от одной точки проводника к другой под воздействием электрической силы. Электрический ток измеряется в амперах (А) и является основной физической величиной, характеризующей поток заряда в электрической цепи.

Существует два основных типа электрического тока постоянный (DC) и переменный (AC).

Постоянный ток (DC) характеризуется тем, что направление и величина тока остаются неизменными во времени. Он протекает в одном направлении от положительного полюса к отрицательному (или, если рассматривать движение электронов, то наоборот). Чаще всего постоянный ток встречается в батареях, аккумуляторах, некоторых электронных устройствах и цепях питания с выпрямителями.

Переменный ток (AC) периодически меняет направление (полярность) и имеет синусоидальную или другую периодическую форму напряжения и тока. Наиболее распространённый пример — бытовая электросеть, в которой напряжение колеблется с некоторой частотой (в России и многих других странах это 50 Гц, а в США, например, 60 Гц). Использование переменного тока позволяет эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния с меньшими потерями.

Движение электрона в электрическом поле

Сила притяжения действует на электрон, находящийся между двумя вакуумными пластинами, когда между ними возникает разница в потенциале. Направление силы будет направлено на положительный потенциал пластины, что приводит к движению электрона в этом направлении.

Сила, действующая на электрона между двумя пластинами в вакууме с разностью потенциалов, придает ему движение, ускоряя его в направлении этой разности потенциалов. Интересный факт заключается в том, что в вакууме, где пластины находятся, электрону не встречаются преграды, и он свободно двигается. Этот принцип лежит в основе работы вакуумных электронных ламп.

Другой захватывающий эффект также заслуживает внимания. Представьте себе ситуацию, когда электрон, движущийся вперед, попадает в электрическое поле с вектором, перпендикулярным к его движению. На следующем рисунке изображена система, в которой электронная пушка используется для создания пучка электронов. Электрическое поле образуется, когда электроны проходят между двумя пластинами, находящимися под разноименными потенциалами. Он движется вдоль оси X и имеет вектор, направленный вдоль оси Y. Этот феномен открывает новые возможности для использования электроники и управления движением электронов.

Вступая в электрическое поле, электроны ускоряются в том же направлении, что и ранее, но их скорость в направлении X остается неизменной. Схема демонстрирует любопытное явление, когда электронный пучок отклоняется от своего первоначального пути. Угол отклонения электронов можно изменить, изменяя разность потенциалов между пластинами. Электронно-лучевые трубки были созданы в результате этого уникального физического эффекта и используются во многих областях, таких как радиоэлектроника, телевидение, исследования свойств материалов и физические исследования.

Движение электрона в магнитном поле

Согласно экспериментам, магнитное поле влияет на провода, по которым течет электрический ток. Такая же реакция ожидается и от движущегося электрона, который, по сути, является потоком электрического тока.

Правило левой руки позволяет определить направление этой силы. Сила действует на электрон, двигающийся перпендикулярно к магнитному полю. Эта сила направлена как к направлению движения электрона, так и к вектору магнитного поля. Следовательно, электрон не чувствует воздействия силы, если он движется параллельно направлению магнитного поля. Это очень важное наблюдение, которое дает объяснение влияния магнитного поля на движущиеся частицы.

Движение электрона в магнитном поле и электрическом поле отличается одним важным элементом. В магнитном поле сила всегда действует перпендикулярно к движению электрона. С другой стороны, в электрическом поле направление силы всегда остается постоянным и соответствует направлению поля. Это заметное различие имеет важное значение в физике, поскольку оно подчеркивает особенности взаимодействия заряженных частиц с электрическими и магнитными полями.

Таким образом, электрон будет двигаться по спирали, выравнивающейся вдоль направления вектора магнитного поля, если он попадает в магнитное поле, ориентированное в соответствующем направлении. Этот захватывающий физический эффект может найти применение в устройствах, таких как магнитные катушки в телевизионных трубках.

Движение электронов в твердом теле

Движение электронов в твёрдом теле определяется особенностями энергетической структуры материала, которая складывается из зонных состояний и характера взаимодействия электронов с кристаллической решёткой. Когда атомы в кристалле образуют упорядоченную структуру, их электронные уровни сливаются в энергетические зоны: электроны, отвечающие за химические связи, оказываются в валентной зоне, а переход в зону проводимости требует дополнительной энергии.

В металлах эти зоны могут перекрываться или не иметь чёткого разрыва, поэтому при обычных условиях часть электронов уже находится в «проводящем» состоянии. Именно благодаря этому металлы обладают высокой электропроводностью: электроны под действием внешнего электрического поля легко перемещаются между атомами, хотя и многократно рассеиваются, сталкиваясь с ионами решётки, примесями и фононами (тепловыми колебаниями кристалла). В полупроводниках, напротив, существует небольшая запрещённая зона, и для перевода электрона из валентной зоны в проводящую нужна дополнительная энергия, которую можно получить от тепла или света. С повышением температуры в полупроводниках всё больше электронов преодолевает эту энергетическую «преграду», поэтому их проводимость увеличивается. В диэлектриках (изоляторах) запрещённая зона велика, и при обычных температурах электронам, как правило, не хватает энергии, чтобы попасть в зону проводимости, из-за чего материал практически не проводит ток.

При наличии внешнего электрического поля электроны начинают ускоряться, но быстро теряют набранную скорость при столкновениях, меняют направление и затем снова ускоряются. В итоге они совершают «дрейф» сквозь кристалл, что и даёт устойчивый электрический ток. В квантовом описании такое движение можно представить как распространяющуюся в периодическом потенциале решётки волну Блоха, а математически эффективную динамику электронов описывает их так называемая эффективная масса, отличная от массы свободных электронов в вакууме.

Примеси и дефекты в структуре твёрдого тела играют очень важную роль: в полупроводниках, например, целенаправленное введение донорных или акцепторных атомов (легирование) позволяет увеличить число свободных носителей заряда — электронов или «дырок». В металлах же нежелательные примеси обычно ухудшают электропроводность, поскольку увеличивают вероятность рассеяния электронов. Способность электронов двигаться в твёрдом теле и формировать электрический ток напрямую связана с энергетической зонной структурой, величиной запрещённой зоны, наличием свободных состояний в зоне проводимости и различными механизмами взаимодействия электронов с решёткой и друг с другом.

Полусвободные электроны

Полусвободные (или квазисвободные) электроны — это состояния в кристалле, которые, с одной стороны, подвержены влиянию периодического потенциала ионной решётки и могут испытывать рассеяние на фононах и примесях, но, с другой стороны, обладают достаточной энергией и подвижностью, чтобы перемещаться по всему объёму материала почти как свободные частицы. Физически это означает, что электронная волна Блоха лишь слабо «деформируется» под действием регулярного потенциала решётки. Ниже приведены несколько примеров, иллюстрирующих это понятие:

— Модель почти свободных электронов (nearly-free electron model) в зонной теории твёрдых тел. В этой теории считается, что электрон может свободно двигаться внутри кристалла, но испытывает периодические возмущения от ионной подсистемы. Эти возмущения создают небольшие энергетические щели (брэгговские отражения) в местах, где волновой вектор электрона соответствует условию отражения на периодической структуре. Именно такая модель даёт простое качественное объяснение формирования энергетических зон и запрещённых зон в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

— Классическая теория Друде с квантовыми поправками (теория Зоммерфельда). В модели Друде электроны в металле рассматриваются как газ свободных частиц, которые периодически сталкиваются с ионами решётки. Зоммерфельд дополнил эту теорию квантовыми соображениями, в результате чего к электронному газу стали относиться как к «полусвободному»: он подчиняется принципу Паули и распределению Ферми–Дирака, но всё ещё свободно перемещается между столкновениями, хотя и ощущает периодический потенциал.

— Электроны в металлах при рассмотрении плазменных колебаний (плазмон). В простейшем описании плазмонных резонансов, когда электронный газ в металле совершает коллективные колебания относительно ионного фона, электроны рассматривают как «почти свободные». Влияние регулярной решётки учитывается лишь через эффективную массу и некоторые поправки к распределению электронов, тогда как большую часть времени электроны движутся по металлу слабо затухающими коллективными модами.

— Количественный анализ электронов в полупроводниках (легирование). При лёгком легировании (например, фосфором или бором в кремнии) новые электроны (или, напротив, возникающие «дыры») появляются в зоне проводимости (или поблизости от неё) и начинают вести себя «почти свободно». С одной стороны, они испытывают рассеяние на кристаллической решётке и примесях, с другой — могут распространяться на большие расстояния, внося заметный вклад в проводимость.

— Поверхностные состояния в материалах с двумерным электронным газом, графене, топологических изоляторах. Хотя структура энергии у таких материалов может отличаться от параболической (иногда бывает линейная дисперсия, как у графена), многие расчёты и эксперименты показывают, что электроны всё же могут двигаться весьма свободно на больших расстояниях (по сравнению с межатомным расстоянием), если не учитывать столкновения и дефекты. Они взаимодействуют с поверхностью или слоями, но всё равно часто рассматриваются как квазисвободные, поскольку их эффективная масса и характер движения в значительной мере определяются «свободноподобным» поведением.

Во всех этих случаях идея «полусвободных электронов» помогает учесть, что внутри кристалла электрон не парит в идеальном вакууме (есть рассеяние и периодический потенциал), но при этом способен передавать заряд и энергию, как частично свободная частица. Это упрощённое, но очень наглядное представление лежит в основе понимания, как формируются проводниковые зоны, почему в металлах высокая проводимость и как в полупроводниках увеличивается число носителей заряда при возмущениях (нагрев, освещение и т. д.).