چگونه جریان الکتریسیته و الکترون‌ها در سیم‌ها کابل‌ها و فلزات حرکت می‌کنند

چاپلو، کابلها و فلزات میان حرکت جریان الکتریکی یک پدیده فیزیکی اساسی است که شامل حرکت الکترون‌ها و ویژگی‌های مواد رسانا می‌شود. در اینجا توضیح دقیقی از این فرآیند آورده شده است:

۱. مفهوم الکترون‌های آزاد

در فلزات و مواد رسانا، تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد وجود دارد. این الکترون‌های آزاد به هسته‌های اتمی متصل نیستند و می‌توانند آزادانه درون ماده حرکت کنند. حضور الکترون‌های آزاد دلیل اصلی آن است که فلزات رساناهای خوبی برای برق هستند.

۲. تأثیر میدان الکتریکی خارجی

هنگامی که ولتاژ (یعنی میدان الکتریکی خارجی) روی ماده رسانا اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار می‌گیرند و شروع به حرکت سوژه‌ای می‌کنند. جهت میدان الکتریکی جهت حرکت الکترون‌ها را تعیین می‌کند. معمولاً میدان الکتریکی از پولک مثبت به منفی اشاره می‌کند و الکترون‌ها در جهت مخالف، از پولک منفی به مثبت حرکت می‌کنند.

۳. حرکت سوژه‌ای الکترون‌ها

تحت تأثیر میدان الکتریکی، الکترون‌های آزاد شروع به حرکت سوژه‌ای می‌کنند و جریانی را تشکیل می‌دهند. جهت جریان به عنوان جهت حرکت بار مثبت تعریف می‌شود که مخالف با جهت واقعی حرکت الکترون‌ها است. بنابراین، وقتی می‌گوییم جریان از مثبت به منفی می‌رود، در واقع یعنی الکترون‌ها از منفی به مثبت حرکت می‌کنند.

۴. برخورد با شبکه بلوری

در طول حرکت خود، الکترون‌های آزاد با شبکه بلوری (ترتیب اتمی) ماده برخورد می‌کنند. این برخوردها الکترون‌ها را پراکنده می‌کنند، جهت حرکت آن‌ها را تغییر می‌دهند و سرعت متوسط آن‌ها را کاهش می‌دهند. این اثر پراکندگی یکی از منابع مقاومت است.

۵. چگالی جریان

چگالی جریان (J) جریان بر واحد سطح مقطع است و می‌توان آن را با فرمول زیر بیان کرد:

J= I/A

که در آن I جریان و A سطح مقطع رسانا است.

۶. قانون اهم

قانون اهم رابطه بین جریان، ولتاژ و مقاومت را توصیف می‌کند:

V=IR

که در آن V ولتاژ، I جریان و R مقاومت است.

۷. ویژگی‌های مواد رسانا

مواد رسانا مختلف ویژگی‌های رسانایی متفاوتی دارند که به ساختار الکترونی و شبکه بلوری آن‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال، مس و نقره رساناهای عالی هستند زیرا تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد و مقاومت کمی دارند.

۸. تأثیر دما

دمای ماده تأثیر قابل توجهی بر رسانایی دارد. معمولاً با افزایش دما، ارتعاشات شبکه بلوری در ماده شدت می‌یابد، فرکانس برخوردهای الکترون-شبکه افزایش می‌یابد و منجر به مقاومت بالاتر می‌شود. این دلیل آن است که مقاومت رساناهای در دماهای بالاتر افزایش می‌یابد.

۹. ابررسانایی

در شرایط خاصی، برخی مواد می‌توانند به حالت ابررسانایی برسند، جایی که مقاومت به صفر می‌رسد و جریان بدون هیچ گونه ضرر می‌تواند جریان یابد. ابررسانایی معمولاً در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد، اما تحقیقات اخیر مواد ابررسانایی با دمای بالا را کشف کرده است.

خلاصه

حرکت جریان در چاپلو، کابلها و فلزات توسط حرکت سوژه‌ای الکترون‌های آزاد تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی هدایت می‌شود. برخوردهای الکترون‌ها با شبکه بلوری ماده مقاومت را ایجاد می‌کند. ویژگی‌های مواد رسانا، دما و عوامل دیگر همه بر کارایی انتقال جریان تأثیر می‌گذارند. درک این اصول اساسی کمک می‌کند تا بهتر مواد و مدارهای رسانا را طراحی و به کار بگیریم.