Kuidas liiguvad elektrivoolu elektronid vedelikes ja metallides?

Voolu, kaabli ja metallide voolu liikumine on põhiline füüsiline nähtus, mis hõlmab elektronide liikumist ja juhtivamaterjalide omadusi. Siin on selle protsessi üksikasjalik selgitus:

1. Vaba elektronite mõiste

Metallides ja juhtivamaterjalides on suur hulk vaba elektrone. Need vabad elektronid ei ole sidunud atoomikudega ja võivad vabalt liikuda materjalisis. Vaba elektronite olemasolu on peamine põhjus, miks metallid on head elektri juhtid.

2. Välinele elektriväljale mõju

Kui juhtivamaterjali külge rakendatakse pinget (teisiti öeldes, välist elektrivälja), siis vabad elektronid mõjutuvad elektriväljast ja hakkavad suunatult liikuma. Elektrivälja suund määrab elektronide liikumissuuna. Tavaliselt näitab elektriväli positiivsest pooldest negatiivse poole, ja elektronid liiguvad vastupidises suunas, negatiivsest pooldest positiivse poole.

3. Elektronide suunatud liikumine

Elektrivälja mõjust vabad elektronid hakkavad suunatult liikuma, moodustades voolu. Voolu suund defineeritakse positiivse laenguga osakeste liikumissuuna kaudu, mis on vastupidine tegelikule elektronide liikumissuunale. Seega, kui me ütleme, et voolu voolab positiivsest negatiivse poole, tähendab see tegelikult, et elektronid liiguvad negatiivsest positiivse poole.

4. Suhe ristikaga

Liikumise ajal vabad elektronid kokku puutuvad materjali ristikaga (atoomide paigutusega). Need kokkupuuted sirvivad elektrone, muutes nende liikumissuuna ja vähendades nende keskmist kiirust. See sirvimise efekt on üks vastuse allikaid.

5. Voolutihe

Voolutihe (J) on voolu ühiku ristlõikeala kohta ja seda saab väljendada valemiga:

J= I/A

kus I on vool ja A on juhtiva ristlõikeala.

6. Ohmi seadus

Ohmi seadus kirjeldab voolu, pinget ja vastuse vahelist seost:

V=IR

kus V on pinge, I on vool ja R on vastus.

7. Juhtivamaterjalide omadused

Erinevad juhtivamaterjalid omavad erinevaid juhtivusomadusi, mis sõltuvad nende elektronilisest struktuurist ja ristikustruktuurist. Näiteks on vask ja hõbeda suurepärased juhtid, kuna neil on suur hulk vaba elektrone ja madal vastavus.

8. Temperatuuri mõju

Temperatuur mõjutab oluliselt juhtivust. Üldiselt, kui temperatuur kasvab, intensiivneb materjalis ristikavigu, suurendades elektronide-ristikate kokkupuute sagedust ja viies kaasa suurema vastuse. Selle tõttu kasvab juhtijate vastus kõrgemates temperatuurides.

9. Superkonduktiivsus

Tehingu kindla tingimuste all mõned materjalid võivad jõuda superkonduktiivsesse olekusse, kus vastus langeb nullini, lubades voolu voolata ilma mingi kaotuseta. Superkonduktiivsus toimub tavaliselt väga madalates temperatuurides, kuid hiljutised uuringud on avastanud mõningaid kõrgetemperatuurile superkonduktiivseid materjale.

Kokkuvõte

Voolu liikumine vedelikes, kaablites ja metallides on juhitav vaba elektronide suunatud liikumine väliste elektriväljade mõju all. Elektronide interaktsioonid materjali ristikaga põhjustavad vastust. Juhtivamaterjalide omadused, temperatuur ja muud tegurid mõjutavad voolu edastamise efektiivsust. Neid põhiline printsiipe mõista aitab paremini disainida ja rakendada juhtivamaterjale ja tsirkuite.