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:

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:

1. Постоянный ток (ПТ): В постоянном токе направление движения электронов не меняется со временем. Постоянный ток характеризует источники энергии, такие как батареи, аккумуляторы и источники постоянного тока.
2. Переменный ток (ПТ): В переменном токе направление движения электронов меняется периодически. Это типично для электроэнергии, которая поступает из электрических розеток в домах и используется во многих устройствах и системах.

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 твердом теле — это сложный и интересный процесс, который имеет фундаментальное значение в физике и технике. В твердых телах, таких как металлы и полупроводники, электроны могут свободно двигаться внутри кристаллической решетки или между атомами. Вот некоторые важные аспекты движения электронов в твердом теле:

1. Электронная структура: Электроны в твердом теле находятся в различных энергетических уровнях или орбитах, образуя энергетические зоны. Валентные электроны в зоне проводимости могут свободно двигаться и создавать электрический ток.
2. Проводимость: Металлы характеризуются высокой проводимостью, так как их валентные электроны могут свободно двигаться внутри кристаллической решетки. В полупроводниках проводимость можно управлять, изменяя концентрацию примесей.
3. Эффекты при низких температурах: При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, электроны ведут себя как квантовые частицы, и могут проявлять суперпроводимость, при которой они двигаются без сопротивления.
4. Дрейфовое движение: Электроны могут дрейфовать под воздействием внешних сил, таких как электрическое поле, что приводит к появлению электрического тока.
5. Электронные уровни и зоны: Зонная структура определяет электронные свойства материала. Например, полупроводники имеют запрещенную зону, которая влияет на их проводимость и оптические свойства.
6. Поверхностные и объемные состояния: Поверхностные состояния могут возникать на границах твердых тел и иметь важное значение для поведения электронов.

Полусвободные электроны

Термин «полусвободные электроны» относится как к электронам, находящимся в твердых телах, так и к электронам, находящихся в других физических состояниях или условиях. Полусвободные электроны — это состояние, когда электроны могут двигаться свободно или проводить ток в определенных условиях, но не являются полностью свободными.

Вот несколько примеров использования понятия полусвободных электронов:

1. Проводники: В твердых телах, таких как металлы, полусвободные электроны могут двигаться свободно внутри кристаллической решетки, создавая высокую проводимость.
2. Полупроводники: В полупроводниках, таких как кремний, некоторые из электронов находятся в валентной зоне, и их движение может быть инициировано внешними воздействиями, такими как температурное возбуждение или электрическое поле.
3. Плазма: В плазме, которая представляет собой газ, в котором частицы ионы и электроны разделены, электроны могут двигаться свободно и создавать электрический ток.
4. Электронные газы: В некоторых контекстах, таких как газоразрядные лампы или разрядные трубки, электроны могут двигаться свободно в газовой среде, создавая свет и ток.
5. Свободные электроны в полупроводниках: В полупроводниках, при высоких температурах или под воздействием света, некоторые электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, становясь полностью свободными и участвуя в проводимости.

Общая идея состоит в том, что электроны могут оставаться полусвободными в различных условиях, и что это состояние зависит от условий и особенностей конкретного материала или среды.