Miten sähkö virtaa johtimissa metalliaineissa ja kaapeleissa?

Sähkövirtauksen liike joissakin metallisissa ja johtavissa materiaaleissa on perustavanlaatuinen fysiikallinen ilmiö, joka sisältää elektronien liikkeen ja johtavien materiaalien ominaisuudet. Tässä yksityiskohtainen selitys tästä prosessista:

1. Vapaan elektronin käsite

Metalleissa ja johtavissa materiaaleissa on suuri määrä vapaita elekrooneja. Nämä vapaat elektronit eivät ole sidoksissa atomiydinten kanssa ja voivat liikkua vapaasti materiaalissa. Vapaiden elekronien olemassaolo on pääasiallinen syy siihen, miksi metallit ovat hyviä sähkönjohtajia.

2. Ulkoisen sähkökentän vaikutus

Kun jännite (eli ulkoinen sähkökenttä) sovelletaan johtavaan materiaaliin, vapaita elekrooneja vaikutetaan sähkökentällä, ja ne alkavat liikkua suunnallisesti. Sähkökentän suunta määrää elektronien liikkeen suunnan. Yleensä sähkökenttä osoittaa positiivisesta napasta negatiiviseen napaan, ja elektronit liikkuvat päinvastaiseen suuntaan, eli negatiivisesta napasta positiiviseen napaan.

3. Elektronien suunnallinen liike

Sähkökentän vaikutuksesta vapaat elektronit alkavat liikkua suunnallisesti, muodostamalla sähkövirran. Virran suunta määritellään positiivisen varauksen liikkeen suuntaana, joka on vastakkainen elektronien todelliselle liikkeelle. Siksi kun sanomme, että virra virtaa positiivistä negatiiviseen, se tarkoittaa itse asiassa, että elektronit liikkuvat negatiivisesta positiiviseen.

4. Vuorovaikutus hilan kanssa

Liikkeensä aikana vapaat elektronit törmäävät materiaalin hilaan (atomien järjestelyyn). Nämä törmäykset hajaannuttavat elekronit, muuttaen niiden liikkeen suuntaa ja vähentäen niiden keskimääräistä nopeutta. Tämä hajaantuva vaikutus on yksi vastuksen lähteistä.

5. Virttiheys

Virttiheys (J) on virta yksikköpinta-alaa kohden ja sitä voidaan ilmaista kaavalla:

J= I/A

missä I on virta ja A on johtimen poikkileikkausala.

6. Ohmin laki

Ohmin laki kuvailee suhdetta välillä virtaa, jännitettä ja vastusta:

V=IR

missä V on jännite, I on virta ja R on vastus.

7. Johtavien materiaalien ominaisuudet

Eri johtavilla materiaaleilla on erilaisia johtavia ominaisuuksia, jotka riippuvat niiden elektronirakenteesta ja hilarakenteesta. Esimerkiksi kupari ja hopea ovat erinomaisia johtajia, koska niillä on suuri määrä vapaita elekrooneja ja alhainen vastus.

8. Lämpötilan vaikutus

Lämpötilalla on merkittävä vaikutus johtavuuteen. Yleensä, kun lämpötila nousee, materiaalin hilavärähtelyt intensiivisyntyvät, lisäämällä elektronien ja hilan törmäysten taajuutta ja johtamalla korkeampaan vastukseen. Siksi johtimien vastus kasvaa korkeammassa lämpötilassa.

9. Supervoimaantulo

Tiettyihin erityisiin olosuhteisiin joidenkin materiaalien voi tulla supervoimaantulotilaan, jossa vastus laskee nollaksi, sallien virran kulkea ilman mitään häviötä. Supervoimaantulo tapahtuu yleensä hyvin matalissa lämpötiloissa, mutta viimeaikaiset tutkimukset ovat löytäneet joitakin korkealämpötilan supervoimaantulomateriaaleja.

Yhteenveto

Sähkövirtauksen liike johtavissa materiaaleissa, kuten juoksujouhoissa, kaapeleissa ja metalleissa, johtuu vapaiden elekronien suunnallisesta liikkeestä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Elektronien vuorovaikutus materiaalin hilan kanssa aiheuttaa vastusta. Johtavien materiaalien ominaisuudet, lämpötila ja muut tekijät vaikuttavat virran siirtymisen tehokkuuteen. Nämä perusperiaatteiden ymmärtäminen auttaa paremmin johtavien materiaalien ja piirien suunnittelussa ja soveltamisessa.