נושאי זרם חשמלי
חשמל כיום מוגדר בדרך כלל כ"מטענים חשמליים ושדות אלקטרומגנטיים נלווים". עצם קיומם של מטענים חשמליים מתגלה על ידי פעולתם החזקה על מטענים אחרים. למרחב שמסביב לכל מטען יש תכונות מיוחדות: פועלים בו כוחות חשמליים, הבאים לידי ביטוי כאשר מטענים אחרים מוכנסים לחלל זה. זה מרחב כזה כוח שדה חשמלי.
בעוד המטענים נייחים, למרווח ביניהם יש תכונות שדה חשמלי (אלקטרוסטטי).... אבל כאשר המטענים זזים, אז יש גם סביבם שדה מגנטי... אנו רואים בנפרד את תכונות השדה החשמלי והמגנטי, אך במציאות תהליכים חשמליים תמיד קשורים לקיום שדה אלקרומגנטי.
המטענים החשמליים הקטנים ביותר כלולים כרכיבים ב אָטוֹם... אטום הוא החלק הקטן ביותר של יסוד כימי הנושא את התכונות הכימיות שלו. אטום הוא מערכת מורכבת מאוד. רוב המסה שלו מרוכזת בליבה. חלקיקים אלמנטריים טעונים חשמלית מסתובבים סביב האחרונים במסלולים מסוימים - אלקטרונים.
כוחות כבידה גורמים לכוכבי הלכת לנוע סביב השמש במסלולים, ואלקטרונים נמשכים לגרעין האטום על ידי כוחות חשמליים. מניסיון ידוע שרק מטענים מנוגדים מושכים זה את זה. לכן, המטענים על גרעין האטום והאלקטרונים חייבים להיות שונים בסימן. מסיבות היסטוריות נהוג לחשוב על מטען הגרעין כחיובי ועל מטענים של האלקטרונים כשליליים.
ניסויים רבים הראו שלאלקטרונים של האטומים של כל יסוד יש אותו מטען חשמלי ואותה מסה. יחד עם זאת, המטען האלקטרוני הוא אלמנטרי, כלומר המטען החשמלי הקטן ביותר האפשרי.
נהוג להבחין בין האלקטרונים הנמצאים במסלולים הפנימיים של האטום ובמסלולים החיצוניים. האלקטרונים הפנימיים מוחזקים בחוזקה יחסית במסלוליהם על ידי כוחות תוך אטומיים. אבל האלקטרונים החיצוניים יכולים בקלות יחסית להתנתק מהאטום ולהישאר חופשיים לזמן מה או להיצמד לאטום אחר. התכונות הכימיות והחשמליות של אטום נקבעות על ידי האלקטרונים במסלוליו החיצוניים.
גודל המטען החיובי על גרעין האטום קובע אם האטום שייך ליסוד כימי מסוים. אטום (או מולקולה) הוא ניטרלי מבחינה חשמלית כל עוד סכום המטענים השליליים על האלקטרונים שווה למטען החיובי על הגרעין. אבל אטום שאיבד אלקטרוני אחד או יותר הופך למטען חיובי בגלל עודף המטען החיובי על הגרעין. הוא יכול לנוע בהשפעת כוחות חשמליים (מושך או דוחה). אטום כזה הוא יון חיובי… אטום שתפס עודף אלקטרונים הופך יון שלילי.
נושא המטען החיובי בגרעין האטום הוא פּרוֹטוֹן... זהו חלקיק יסודי המשמש כגרעין של אטום המימן. המטען החיובי של הפרוטון שווה מספרית למטען השלילי של האלקטרון, אך מסת הפרוטון היא פי 1836 מהמסה של האלקטרון. גרעיני האטומים, בנוסף לפרוטונים, מכילים גם נויטרונים - חלקיקים שאין להם מטען חשמלי. המסה של נויטרון היא פי 1838 מהמסה של אלקטרון.
לפיכך, מבין שלושת החלקיקים היסודיים המרכיבים את האטומים, רק לאלקטרון ולפרוטון יש מטענים חשמליים. אבל מתוכם, רק האלקטרונים הטעונים שלילי יכולים לנוע בקלות בתוך החומר, והמטענים החיוביים בתנאים רגילים יכולים לנוע רק ב- צורה של יונים כבדים, כלומר העברה של האטומים של החומר.
נוצרת תנועה מסודרת של מטענים חשמליים, כלומר תנועה שיש לה כיוון דומיננטי במרחב חַשְׁמַל… חלקיקים שתנועתם יוצרת זרם חשמלי - נושאי זרם ברוב המקרים הם אלקטרונים ולעתים רחוקות יותר - יונים.
לאפשר אי דיוק מסוים, ניתן להגדיר זרם כתנועה מכוונת של מטענים חשמליים. נשאים שוטפים יכולים לנוע פחות או יותר בחופשיות בחומר.
מחוטים נקראים חומרים המוליכים זרם טוב יחסית. כל המתכות הן מוליכות, במיוחד כסף, נחושת ואלומיניום.
מוליכות של מתכות מוסבר בכך שאצלם חלק מהאלקטרונים החיצוניים מופרדים מהאטומים. הניסויים החיוביים הנובעים מאובדן האלקטרונים הללו מחוברים בסריג גבישי - שלד מוצק (יוני), שבחלליו ישנם אלקטרונים חופשיים בצורה של מעין גז אלקטרונים.
השדה החשמלי החיצוני הקטן ביותר יוצר זרם במתכת, כלומר מאלץ את האלקטרונים החופשיים להתערבב בכיוון הכוחות החשמליים הפועלים עליהם. מתכות מאופיינות ב ירידה במוליכות עם עליית הטמפרטורה.
מוליכים למחצה מוליכים זרם חשמלי הרבה יותר גרוע מחוטים. מספר רב מאוד של חומרים שייך למספר המוליכים למחצה ותכונותיהם מגוונות מאוד. מוליכות אלקטרונית אופיינית למוליכים למחצה (כלומר, הזרם בהם נוצר, כמו במתכות, על ידי תנועה מכוונת של אלקטרונים חופשיים - לא יונים) ובניגוד למתכות, עלייה במוליכות עם עליית הטמפרטורה. באופן כללי, מוליכים למחצה מאופיינים גם בתלות חזקה של מוליכותם בהשפעות חיצוניות - קרינה, לחץ וכו'.
דיאלקטריים (מבודדים) הם למעשה אינם מוליכים זרם. שדה חשמלי חיצוני גורם ל-nקיטוב של אטומים, מולקולות או יונים של דיאלקטריותתזוזה תחת פעולת שדה חיצוני של המטענים הקשורים אלסטית המרכיבים אטום או מולקולה דיאלקטרית. מספר האלקטרונים החופשיים בדיאלקטריה קטן מאוד.
אתה לא יכול לציין גבולות קשיחים בין מוליכים, מוליכים למחצה ודיאלקטריים. במכשירים חשמליים, חוטים משמשים נתיב לתנועה של מטענים חשמליים, ונדרשים דיאלקטריים כדי לכוון את התנועה הזו בצורה נכונה.
זרם חשמלי נוצר עקב פעולה על מטענים של כוחות ממקור לא אלקטרוסטטי, הנקראים כוחות חיצוניים.הם יוצרים שדה חשמלי בחוט, המאלץ את המטענים החיוביים לנוע בכיוון כוחות השדה, והמטענים השליליים, האלקטרונים, בכיוון ההפוך.
כדאי להבהיר את הרעיון של תנועת תרגום של אלקטרונים במתכות. אלקטרונים חופשיים נמצאים במצב של תנועה אקראית ברווח שבין אטומים, בתנועה תרמית הפוכה של מולקולות. המצב התרמי של הגוף נגרם מהתנגשויות של מולקולות זו בזו והתנגשויות של אלקטרונים עם מולקולות.
האלקטרון מתנגש במולקולות ומשנה את כיוון תנועתו, אך ממשיך בהדרגה לנוע קדימה, ומתאר עקומה מורכבת מאוד. התנועה ארוכת הטווח של חלקיקים טעונים בכיוון אחד ספציפי, המונחת על תנועתם הכאוטית בכיוונים שונים, נקראת סחיפה שלהם. לפיכך, הזרם החשמלי במתכות, על פי השקפות מודרניות, הוא סחף של חלקיקים טעונים.