Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Wiesz już, że w różnych materiałach znajdują się nośniki ładunku. Są to cząstki lub jony posiadające ładunek elektryczny, mogące swobodnie poruszać się w obrębie tego materiału. Np. mamy kawałek metalowego drutu (czyli przewodnika), który jest zbudowany z atomów połączonych w sieć krystaliczną (Rys. 1.). Część elektronów tworzących te atomy nazywamy elektronami swobodnymi, bo mogą one swobodnie poruszać się wzdłuż całego drutu. Elektrony te mają ujemny ładunek, ale cały materiał jest obojętny elektrycznie, bo posiada w sumie tyle samo swobodnych elektronów, co jonów.

R6AVBkGmAlYK6
Rys. 1. Fragment sieci krystalicznej metalu

Powiedzieliśmy, że elektrony swobodne mogą się poruszać. Prąd elektryczny w przewodniku jest uporządkowanym ruchem tych elektronów swobodnych. W ogólności mówimy, że

prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych

W przewodnikach jest to ruch elektronów swobodnych, w półprzewodnikach – elektronów i tzw. dziur, w elektrolitach – jonów, a w zjonizowanych gazach – jonów i elektronów. A co oznacza słowo „uporządkowany”? Nośniki mogą ruszać się zarówno w sposób chaotyczny, jak i uporządkowany. Przyjrzyjmy się obu wymienionym rodzajom ruchu.

RnDUTNiS8mV33
Rys. 2. Elektrony swobodne poruszają się chaotycznie zderzając się z drgającymi atomami sieci krystalicznej metalu.

Spójrzmy na kawałek drutu w kablu Twojej ładowarki do telefonu (Rys. 2.). Zapewne kabel ten znajduje się w temperaturze pokojowej, około 20 ° C. Wiesz już, że to oznacza, że cała sieć krystaliczna tego drutu drga z dużą częstotliwością. Elektrony swobodne zderzają się z tymi rozedrganymi atomami. Ponieważ są bardzo lekkie, w wyniku zderzeń nabierają ogromnych prędkości, których kierunki są praktycznie losowe i bardzo często się zmieniają. Przypomnijmy sobie związek między temperaturą w skali Kelvina, a średnią prędkością cząstek i obliczmy średnią prędkość elektronu w takim drucie.

Jakkolwiek to dziwne, elektrony swobodne w metalu zachowują się z dobrym przybliżeniem jak gaz doskonały. W związku z tym średnia energia kinetyczna elektronu jest powiązana z temperaturą następująco:

12mv2=32kBT,

gdzie kB to stała Boltzmanna. Stąd średnia prędkość kwadratowa wynosi

v2=3kBTm=31,381023J/K293K9,111031kg1,15105ms=115kms.

Uzyskana wartość prędkości, 115kms, jest zawrotna. Dla porównania: prędkość wylotowa pocisku z karabinu M134 wynosi ok. 0,9kms. Jednak pojedynczy elektron nie jest w stanie przesunąć się na dużą odległość wzdłuż drutu - zderza się z drgającymi jonami, a więc nieustannie zmienia kierunek ruchu. Ten ruch elektronów, zwany ruchem termicznymRuch termiczny (ang. thermal motion)ruchem termicznym, jest chaotyczny i nie ma związku z prądem elektrycznym.

R1G0ermKU9fQN
Rys. 3. Podczas ładowania telefonu elektrony, oprócz wykonywania ruchu termicznego, powoli przesuwają się w kablu, w jedną stronę.

Inny charakter ruchu elektronów uzyskasz, kiedy podłączysz swoją ładowarkę do gniazdka i zaczniesz ładować telefon (Rys. 3.). W tej sytuacji elektrony, oprócz wykonywania ruchu termicznego, zaczną się powoli przesuwać w kablu, w jedną stronę. Stanie się tak, ponieważ - wskutek pojawienia się napięcia - na elektrony zacznie działać stała siła elektrostatyczna skierowana wzdłuż kabla. Pod wpływem tej siły elektrony zaczynają przyspieszać wzdłuż drutu, ale co chwilę uderzają w kolejne atomy sieci krystalicznej i zwalniają. Mają one jednak pewną średnią prędkość, zwaną prędkością dryfuPrędkość dryfu (ang. drift velocity)prędkością dryfu, o wartości rzędu 1mms, skierowaną zgodnie ze zwrotem siły elektrostatycznej. Ten ruch elektronów jest uporządkowany i to właśnie ten ruch nazywamy prądem elektrycznymPrąd elektryczny (ang. electric current)prądem elektrycznym. Więcej szczegółów na ten temat znajdziesz w e‑materiałach „W jaki sposób metal przewodzi prąd elektryczny?” oraz „Szybkość poruszania się elektronów swobodnych w metalu podczas przepływu prądu”.

Słowniczek

Prąd elektryczny (ang. electric current)
Prąd elektryczny (ang. electric current)

uporządkowany ruch ładunku elektrycznego, np. w metalach względem sieci krystalicznej.

Prędkość dryfu (ang. drift velocity)
Prędkość dryfu (ang. drift velocity)

średnia prędkość nośników ładunku, w ruchu związanym z przepływem prądu, spowodowanym przez pole elektryczne.

Ruch termiczny (ang. thermal motion)
Ruch termiczny (ang. thermal motion)

chaotyczny ruch dużej liczby cząstek (np. gazu w ilościach makroskopowych) rozpatrywany w układzie odniesienia, w którym suma ich pędów jest zerowa. Ich średnia energia kinetyczna jest proporcjonalna do temperatury wyrażonej w kelwinach.

Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida