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 składa się z ośmiu jednakowych sześcianów ułożonych w dwóch warstwach. W dolnej warstwie dwa sześciany ustawione są obok siebie i stykają się pionowymi ścianami. Za nimi znajduje się taka sama para sześcianów, które przylegają pionowymi ścianami do pierwszej pary. Na tej warstwie ustawiony jest identyczny zespół czterech sześcianów. Sześciany w górnej i dolnej warstwie stykają się poziomymi ścianami. W każdym wierzchołku sześcianów znajduje się czerwone kółeczko ze znakiem plus, które symbolizuje atom metalu. W przestrzeni między atomami rozmieszczone są nieregularnie mniejsze, niebieskie kółeczka symbolizujące elektrony swobodne.

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. Na rysunku znajduje się telefon komórkowy połączony z kablem do ładowania, ale kabel nie jest włączony do gniazdka. Na kablu narysowano duże koło, wewnątrz którego pokazane są w powiększeniu swobodne elektrony znajdujące się w kablu. Elektrony przedstawione są w postaci niebieskich kółek ze znakami minus. Do każdego elektronu przyłożony jest wektor prędkości. Wektory prędkości skierowane są w różne, przypadkowe strony.

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:

gdzie $k_B$ to stała Boltzmanna. Stąd średnia prędkość kwadratowa wynosi

Uzyskana wartość prędkości, $115\frac{km}{s}$, jest zawrotna. Dla porównania: prędkość wylotowa pocisku z karabinu M134 wynosi ok. $\mathrm{0,9}\frac{km}{s}$. 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. Na rysunku znajduje się telefon komórkowy połączony z kablem do ładowania, a kabel jest włączony do gniazdka. Na kablu narysowano duże koło, wewnątrz którego pokazane są w powiększeniu swobodne elektrony znajdujące się w kablu. Elektrony przedstawione są w postaci niebieskich kółek ze znakami minus. Do każdego elektronu przyłożony jest wektor prędkości. Niektóre wektory prędkości skierowane są poziomo w prawo, inne ukośnie w prawo i w dół lub w prawo i w górę.

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 $1\frac{mm}{s}$, 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