Wszystkich nas otacza ogromna liczba różnorodnych urządzeń i opartych na nich całych systemów, które w trakcie swojego funkcjonowania w taki czy inny sposób zużywają prąd elektryczny. Samo pojęcie prądu elektrycznego zostało wprowadzone w celu nadania opisowi procesu jego przebiegu przejrzystość, która została osiągnięta dzięki celowemu utworzeniu bezpośredniej analogii z hydrodynamiką przepływ cieczy.
Dzięki gromadzeniu wiedzy na temat elektryczności wykazano, że przepływ prądu elektrycznego jest przede wszystkim ruch pola elektromagnetycznego wzdłuż ośrodka przewodzącego, który występuje z prędkościami nie różniącymi się zbytnio od prędkości Sveta. W tym przypadku pole przesuwa się z punktu o wyższym potencjale w kierunku punktu o niższym potencjale, tj. zgodnie z klasycznym schematem od plusa do minusa.
Ruch właściwych nośników ładunku, który towarzyszy temu procesowi, również zachodzi, ale z zauważalnie mniejszą prędkością. W różnych materiałach odbywa się w różnych kierunkach.
Odmiany nośników ładunku
Wiadomo, że nośniki ładunku dzielą się na dodatnie i ujemne. Ujemne ładunki posiadają elektrony i jony, jony dominują wśród nośników o ładunku dodatnim. Ładunki ujemne zmierzają w kierunku wyższego potencjału, podczas gdy ładunki dodatnie zmierzają w kierunku niższego potencjału. W obu przypadkach w otoczeniu powstaje prąd elektryczny.
Pojawia się klasyczna dwuznaczność, którą eliminuje konwencjonalna umowa. Na poziomie postulatu przyjmuje się, że prąd płynie zawsze od plusa do minusa, niezależnie od rodzaju ładunków.
Ruch ładunków w metalach
Większość metali w temperaturach, które są praktycznie ważne dla technologii komunikacji elektrycznej i przewodowej, znajduje się w stanie stałym i nie ma w nich jonów.
W rezultacie prąd w stałych materiałach przewodzących jest określony przez elektroniczny typ przewodnictwa, tj. wolne elektrony (rysunek 1), które przejmują funkcje nośników ładunku, w procesie przepływu prądu poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu prądu, rysunek 2.
Elektrony w metalach są łatwo odrywane przez pole elektryczne z ich orbit, wzdłuż których obracają się wokół atomów przy braku różnicy potencjałów. Tak więc przy niewielkiej różnicy potencjałów powstaje duża liczba nośników ładunku, tj. metale mają stosunkowo niski opór elektryczny.
Ruch ładunków w półprzewodnikach
Półprzewodniki są znacznie gorsze od metali pod względem przewodnictwa w temperaturze pokojowej. Materiały należące do tej grupy dzielą się na półprzewodniki typu n i p. Półprzewodniki typu n w stanie zwykłym mają nadmiar elektronów, przechodząc do typu p objawia się brak elektronów, ale pozostałe stosunkowo łatwo przemieszczają się z jednej dozwolonej pozycji w atomach do inne. To ostatnie jest równoznaczne z ruchem ładunków dodatnich.
Cechą półprzewodników jest to, że ich przewodnictwo gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem temperatury: z powodu słabego wiązania z atomami w miarę wzrostu liczba niezwiązanych elektronów znacznie się zmienia.
Zatem kierunek ruchu ładunków w półprzewodnikach może pokrywać się z kierunkiem przepływu prądu (typ p) lub być do niego przeciwny (typ n).
Ruch ładunków w cieczach i gazach
Cechą cieczy i gazów jest to, że jony są w nich nośnikami ładunku. Mogą być dodatnie (kationy) lub ujemne (aniony), rysunek 3. W związku z tym, gdy dominują kationy ujemne, poruszają się „pod prąd”, podczas gdy kationy dodatnie poruszają się „wzdłuż prądu”.