Dòng điện

Dòng điện
Một mạch điện đơn giản, trong đó dòng điện được biểu diễn bằng chữ i . Mối quan hệ giữa điện áp (V), điện trở (R) và dòng điện (I) là V = IR; điều này được gọi là định luật Ohm .
Ký hiệu chung	tôi
Đơn vị SI	ampe
Nguồn gốc từ các đại lượng khác	${\ displaystyle I = {V \ over R}, I = {Q \ over t}}$
Kích thước	${\ displaystyle {\ mathsf {I}}}$

Các bài báo về
Điện từ học
Điện lực Từ tính Môn lịch sử Sách giáo khoa
Tĩnh điện Sạc điện định luật Cu lông Nhạc trưởng Mật độ phí Giấy phép Mômen lưỡng cực điện Điện trường Điện tích Thông lượng điện  / thế năng Xả tĩnh điện Định luật Gauss Hướng dẫn Chất cách điện Mật độ phân cực Tĩnh điện Điện ba
Thuốc kìm từ Định luật Ampère Luật Biot – Savart Định luật Gauss cho từ tính Magnetic field Magnetic flux Magnetic dipole moment Magnetic permeability Magnetic scalar potential Magnetization Magnetomotive force Magnetic vector potential Right-hand rule
Điện động lực học Lorentz force law Electromagnetic induction Faraday's law Lenz's law Displacement current Maxwell's equations Electromagnetic field Electromagnetic pulse Electromagnetic radiation Maxwell tensor Poynting vector Liénard–Wiechert potential Jefimenko's equations Eddy current London equations Mathematical descriptions of the electromagnetic field
Mạng lưới điện Dòng điện xoay chiều Điện dung Dòng điện một chiều Dòng điện Điện phân Mật độ hiện tại Gia nhiệt joule Sức điện động Trở kháng Điện cảm Định luật Ohm Mạch song song Sức chống cự Khoang cộng hưởng Mạch nối tiếp Vôn Ống dẫn sóng
Công thức covariant Electromagnetic tensor (stress–energy tensor) Four-current Electromagnetic four-potential
Các nhà khoa học Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Singer Tesla Volta Weber Poisson
v NS e

Dòng điện là một dòng các hạt mang điện , chẳng hạn như electron hoặc ion , di chuyển qua vật dẫn điện hoặc không gian. Nó được đo bằng tốc độ thực của dòng điện tích qua một bề mặt hoặc vào một thể tích điều khiển . ^{[1] : 2 [2] : 622} Các hạt chuyển động được gọi là hạt tải điện , có thể là một trong một số loại hạt, tùy thuộc vào chất dẫn điện. Trong mạch điện , hạt tải điện thường là các êlectron chuyển động qua dây dẫn . Ở trongchất bán dẫn chúng có thể là electron hoặc lỗ trống . Trong chất điện phân, các hạt mang điện tích là các ion , trong khi trong plasma , một chất khí bị ion hóa, chúng là các ion và electron. ^[3]

Các SI đơn vị của dòng điện là ampe , hoặc amp , đó là dòng chảy của điện tích trên một bề mặt với tỷ lệ một culông mỗi giây. Ampe (ký hiệu: A) là đơn vị cơ sở SI ^{[4] : 15} Dòng điện được đo bằng dụng cụ gọi là ampe kế . ^{[2] : 788}

Dòng điện tạo ra từ trường , được sử dụng trong động cơ, máy phát điện, cuộn cảm và máy biến áp . Trong dây dẫn thông thường, chúng gây ra hiện tượng nóng Joule , tạo ra ánh sáng trong bóng đèn sợi đốt . Các dòng điện thay đổi theo thời gian phát ra sóng điện từ , được sử dụng trong viễn thông để phát thông tin.

Biểu tượng

Ký hiệu quy ước cho dòng điện là I , bắt nguồn từ cụm từ tiếng Pháp intensité du courant , (cường độ dòng điện). ^{[5] [6]} Cường độ dòng điện thường được gọi đơn giản là dòng điện . ^[7] Ký hiệu I được sử dụng bởi André-Marie Ampère , người mà sau đó đơn vị của dòng điện được đặt tên, trong việc xây dựng định luật lực Ampère (1820). ^[8] Ký hiệu đã đi từ Pháp đến Anh, nơi nó trở thành tiêu chuẩn, mặc dù ít nhất một tạp chí đã không thay đổi từ sử dụng C sang I cho đến năm 1896. ^[9]

Quy ước

Các electron , các hạt tải điện trong một mạch điện, chạy theo hướng ngược lại của dòng điện thông thường.

Ký hiệu của pin trong sơ đồ mạch .

Trong vật liệu dẫn điện , các hạt mang điện chuyển động tạo thành dòng điện được gọi là hạt tải điện . Trong kim loại tạo nên dây dẫn và các vật dẫn điện khác trong hầu hết các mạch điện , hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương của các nguyên tử được giữ ở một vị trí cố định, và các êlectron mang điện tích âm là hạt tải điện tự do chuyển động trong kim loại. Trong các vật liệu khác, đặc biệt là chất bán dẫn , các hạt tải điện có thể dương hoặc âm, tùy thuộc vào chất pha tạp được sử dụng. Các hạt mang điện tích dương và âm thậm chí có thể xuất hiện cùng một lúc, như xảy ra trong chất điện phântrong một tế bào điện hóa .

Một dòng điện tích dương tạo ra cùng một dòng điện, và có cùng tác dụng trong một đoạn mạch, như một dòng điện tích âm bằng nhau theo chiều ngược lại. Vì dòng điện có thể là dòng mang điện tích dương hoặc điện tích âm hoặc cả hai, nên cần có quy ước về hướng của dòng điện độc lập với loại hạt tải điện . Hướng của dòng điện thông thường được xác định một cách tùy ý là hướng mà các điện tích dương chạy qua. Do đó, các hạt mang điện tích âm, chẳng hạn như các electron (hạt tải điện trong dây kim loại và nhiều linh kiện mạch điện tử khác), chảy ngược hướng với dòng điện thông thường trong mạch điện.

Hướng tham khảo

Dòng điện trong dây dẫn hoặc phần tử mạch có thể chạy theo một trong hai hướng. Khi xác định một biến ${\ displaystyle I}$để biểu diễn dòng điện, chiều biểu diễn dòng điện dương phải được xác định, thường bằng một mũi tên trên sơ đồ mạch điện . ^{[a] : 13} Đây được gọi là hướng tham chiếu của dòng điện${\ displaystyle I}$. Khi phân tích các mạch điện , hướng thực tế của dòng điện qua một phần tử mạch cụ thể thường không được biết cho đến khi phân tích xong. Do đó, các hướng tham chiếu của dòng điện thường được chỉ định một cách tùy ý. Khi mạch được giải quyết, một giá trị âm của dòng điện ngụ ý hướng thực tế của dòng điện qua phần tử mạch đó ngược với hướng tham chiếu đã chọn. ^{[b] : 29}

Định luật Ohm

Định luật Ohm phát biểu rằng dòng điện qua vật dẫn giữa hai điểm tỷ lệ thuận với hiệu điện thế qua hai điểm. Giới thiệu hằng số tỷ lệ, điện trở , ^[11] người ta đi đến phương trình toán học thông thường mô tả mối quan hệ này: ^[12]

${\ displaystyle I = {\ frac {V} {R}}}$

Trong đó I là cường độ dòng điện qua dây dẫn tính bằng đơn vị ampe , V là hiệu điện thế đo được trên dây dẫn tính bằng đơn vị vôn và R là điện trở của dây dẫn tính bằng đơn vị ôm . Cụ thể hơn, định luật Ohm phát biểu rằng R trong mối quan hệ này là không đổi, không phụ thuộc vào dòng điện. ^[13]

Dòng điện xoay chiều và một chiều

Trong hệ thống dòng điện xoay chiều (AC), chuyển động của điện tích theo chu kỳ đổi hướng. AC là dạng năng lượng điện phổ biến nhất được cung cấp cho các doanh nghiệp và khu dân cư. Dạng sóng thông thường của mạch nguồn xoay chiều là sóng hình sin , mặc dù một số ứng dụng nhất định sử dụng các dạng sóng thay thế, chẳng hạn như sóng tam giác hoặc sóng vuông . Tín hiệu âm thanh và tín hiệu vô tuyến truyền trên dây dẫn điện cũng là ví dụ của dòng điện xoay chiều. Mục tiêu quan trọng trong các ứng dụng này là khôi phục thông tin được mã hóa (hoặc điều chế ) trên tín hiệu AC.

Ngược lại, dòng điện một chiều (DC) dùng để chỉ một hệ thống trong đó chuyển động của điện tích chỉ theo một hướng (đôi khi được gọi là dòng một chiều). Dòng điện một chiều được tạo ra bởi các nguồn như pin , cặp nhiệt điện , pin mặt trời , và chuyển mạch kiểu máy điện của máy phát điện loại. Dòng điện xoay chiều cũng có thể được chuyển đổi thành dòng điện một chiều thông qua việc sử dụng bộ chỉnh lưu . Dòng điện một chiều có thể chạy trong vật dẫn chẳng hạn như dây dẫn, nhưng cũng có thể chạy qua chất bán dẫn , chất cách điện hoặc thậm chí qua chân không như trong chùm điện tử hoặc ion. Một tên cũ cho dòng điện một chiều là dòng điện mạ . ^[14]

Sự xuất hiện

Các ví dụ quan sát tự nhiên về dòng điện bao gồm sét , phóng điện tĩnh và gió mặt trời , nguồn gốc của cực quang .

Sự xuất hiện do con người tạo ra của dòng điện bao gồm dòng các electron dẫn trong dây kim loại như đường dây điện trên không cung cấp năng lượng điện qua những khoảng cách xa và các dây dẫn nhỏ hơn trong thiết bị điện và điện tử. Dòng điện xoáy là dòng điện xuất hiện trong vật dẫn tiếp xúc với từ trường thay đổi. Tương tự, các dòng điện xảy ra, đặc biệt là trong bề mặt, của các vật dẫn tiếp xúc với sóng điện từ . Khi dòng điện dao động chạy ở điện áp chính xác trong ăng ten vô tuyến , sóng vô tuyến được tạo ra.

Trong điện tử , các dạng khác của dòng điện bao gồm dòng điện chạy qua điện trở hoặc qua chân không trong ống chân không , dòng ion bên trong pin và dòng lỗ trống bên trong kim loại và chất bán dẫn .

Một ví dụ sinh học về dòng điện là dòng chảy của các ion trong tế bào thần kinh và dây thần kinh, chịu trách nhiệm cho cả suy nghĩ và nhận thức cảm giác.

Đo lường hiện tại

Dòng điện có thể được đo bằng ampe kế .

Dòng điện có thể được đo trực tiếp bằng điện kế , nhưng phương pháp này làm đứt mạch điện nên đôi khi bất tiện.

Dòng điện cũng có thể được đo mà không làm đứt mạch bằng cách phát hiện từ trường liên kết với dòng điện. Các thiết bị, ở cấp độ mạch, sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đo dòng điện:

• Điện trở Shunt ^[15]
• Bộ chuyển đổi cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall
• Máy biến áp (tuy nhiên không thể đo DC)
• Từ điện trở cảm biến lĩnh vực ^[16]
• Cuộn dây Rogowski
• Kẹp hiện tại

Nhiệt điện trở

Gia nhiệt joule, còn được gọi là gia nhiệt ohmic và gia nhiệt điện trở , là quá trình tiêu tán công suất ^{[17] : 36} mà bằng cách đó dòng điện chạy qua vật dẫn làm tăng nội năng của vật dẫn, ^{[18] : 846} chuyển đổi công suất nhiệt động lực học. thành nhiệt . ^{[18] : 846, fn. 5} Hiện tượng lần đầu tiên được nghiên cứu bởi James Prescott Joule năm 1841. Joule đắm một chiều dài của dây trong một cố định khối lượng của nước và đotăng nhiệt độ do có dòng điện qua dây dẫn biết trong thời gian 30 phút . Bằng cách thay đổi hiện tại và chiều dài của dây ông suy luận rằng nhiệt được sản xuất là tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện nhân với điện trở của dây.

${\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}$

Mối quan hệ này được gọi là Định luật Joule . ^{[17] : 36} Các SI đơn vị của năng lượng sau đó được đặt tên là joule và đưa ra các biểu tượng J . ^{[4] : 20} Đơn vị công suất SI thường được biết đến, oát (ký hiệu: W), tương đương với một jun trên giây. ^{[4] : 20}

Điện từ học

Nam châm điện

Từ trường được tạo ra bởi dòng điện trong điện từ .

Trong nam châm điện, một cuộn dây hoạt động giống như một nam châm khi có dòng điện chạy qua nó. Khi ngắt dòng điện, cuộn dây mất từ ​​tính ngay lập tức. Dòng điện tạo ra từ trường . Từ trường có thể được hình dung như một mô hình của các đường sức tròn bao quanh dây dẫn mà vẫn tồn tại miễn là có dòng điện.

Cảm ứng điện từ

Dòng điện xoay chiều chạy qua điện từ, tạo ra từ trường thay đổi. Trường này gây ra dòng điện chạy trong vòng dây bằng cảm ứng điện từ .

Từ trường cũng có thể được sử dụng để tạo ra dòng điện. Khi một từ trường thay đổi được đặt vào một vật dẫn, một suất điện động (EMF) được cảm ứng, ^{[18] : 1004} bắt đầu xuất hiện dòng điện, khi có một đường đi thích hợp.

Sóng radio

Khi dòng điện chạy trong một dây dẫn có hình dạng phù hợp ở tần số vô tuyến , sóng vô tuyến có thể được tạo ra. Chúng truyền với tốc độ ánh sáng và có thể gây ra dòng điện trong các vật dẫn ở xa.

Cơ chế dẫn truyền trong các phương tiện khác nhau

Trong chất rắn kim loại, điện tích chảy bằng phương tiện điện tử , từ thấp đến cao tiềm năng điện . Trong các phương tiện khác, bất kỳ dòng vật thể tích điện nào (ví dụ như ion) đều có thể tạo thành dòng điện. Để đưa ra định nghĩa về dòng điện độc lập với loại hạt tải điện, dòng điện thông thường được định nghĩa là chuyển động cùng chiều với dòng điện tích dương. Vì vậy, trong các kim loại mà các hạt mang điện (electron) là âm, thì dòng điện thông thường có hướng ngược lại với chuyển động tổng thể của electron. Trong các vật dẫn mà các hạt mang điện tích dương, dòng điện thông thường có cùng hướng với các hạt tải điện.

Trong chân không , một chùm ion hoặc electron có thể được hình thành. Trong các vật liệu dẫn điện khác, dòng điện là do sự chuyển động của các hạt mang điện tích dương và điện tích âm cùng một lúc. Vẫn còn những người khác, dòng điện hoàn toàn là do dòng điện tích dương . Ví dụ, dòng điện trong chất điện phân là dòng của các ion tích điện dương và âm. Trong pin điện hóa axit-chì thông thường , dòng điện bao gồm các ion hydronium dương chạy theo một hướng và các ion sunfat âm chạy theo hướng khác. Dòng điện trong tia lửa điện hoặc plasmalà dòng chảy của các electron cũng như các ion dương và âm. Trong nước đá và trong một số chất điện phân rắn, dòng điện hoàn toàn bao gồm các ion chạy qua.

Kim loại

Trong kim loại , một số electron ngoài cùng trong mỗi nguyên tử không liên kết với các phân tử riêng lẻ như trong chất rắn phân tử , hoặc trong các dải đầy đủ như trong vật liệu cách điện, nhưng tự do di chuyển trong mạng tinh thể kim loại . Các electron dẫn này có thể đóng vai trò là hạt tải điện , mang dòng điện. Kim loại đặc biệt dẫn điện vì có nhiều electron tự do này, thường là một electron trên mỗi nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi không có điện trường bên ngoài tác dụng, các electron này chuyển động ngẫu nhiên do nhiệt năng , nhưng trung bình, không có dòng điện thuần bên trong kim loại. Ở nhiệt độ phòng, tốc độ trung bình của các chuyển động ngẫu nhiên này là 10⁶ mét trên giây. ^[19] Cho một bề mặt có dây kim loại đi qua, các electron chuyển động theo cả hai hướng trên bề mặt với tốc độ bằng nhau. Như George Gamow đã viết trong cuốn sách khoa học nổi tiếng của mình , One, Two, Three ... Infinity (1947), "Các chất kim loại khác với tất cả các vật liệu khác bởi thực tế là lớp vỏ bên ngoài của các nguyên tử của chúng liên kết khá lỏng lẻo và thường để một trong các electron của chúng tự do. Do đó, bên trong kim loại chứa đầy một lượng lớn số lượng các electron không liên kết di chuyển không mục đích xung quanh giống như một đám đông di dời. Khi một dây kim loại chịu lực điện tác dụng lên các đầu đối diện của nó, các electron tự do này lao theo hướng của lực, do đó tạo thành cái mà chúng ta gọi là dòng điện. "

Khi một dây kim loại được nối qua hai đầu của nguồn điện một chiều chẳng hạn như pin , nguồn đặt một điện trường ngang qua vật dẫn. Thời điểm tiếp xúc được thực hiện, các điện tử tự do của vật dẫn buộc phải trôi về phía cực dương dưới ảnh hưởng của trường này. Do đó, các điện tử tự do là hạt tải điện trong một vật dẫn rắn điển hình.

Đối với dòng điện tích ổn định qua một bề mặt, cường độ dòng điện I (tính bằng ampe) có thể được tính theo công thức sau:

${\ displaystyle I = {Q \ over t} \ ,,}$

trong đó Q là điện tích truyền qua bề mặt trong thời gian t . Nếu Q và t được đo lần lượt bằng coulom và giây thì I tính bằng ampe.

Nói một cách tổng quát hơn, dòng điện có thể được biểu thị bằng tốc độ mà điện tích chạy qua một bề mặt nhất định như sau:

${\ displaystyle I = {\ frac {\ mathrm {d} Q} {\ mathrm {d} t}} \,.}$

Chất điện giải

Một vật dẫn proton trong điện trường tĩnh .

Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển động của các hạt ( ion ) mang điện. Ví dụ, nếu đặt một điện trường ngang qua dung dịch Na ⁺ và Cl ^- (và các điều kiện phù hợp) thì các ion natri di chuyển về phía điện cực âm (cực âm), trong khi các ion clorua di chuyển về phía điện cực dương (cực dương). Các phản ứng xảy ra ở cả hai bề mặt điện cực, trung hòa từng ion.

Nước đá và một số chất điện phân rắn nhất định được gọi là chất dẫn proton chứa các ion hydro dương (" proton ") có thể di động. Trong những vật liệu này, dòng điện bao gồm các proton chuyển động, trái ngược với các electron chuyển động trong kim loại.

Trong một số hỗn hợp chất điện phân, các ion có màu sáng là các điện tích chuyển động. Sự tiến triển chậm của màu làm cho hiện tại có thể nhìn thấy được. ^[20]

Khí và plasmas

Trong không khí và các khí thông thường khác bên dưới trường đánh thủng, nguồn dẫn điện chủ yếu là thông qua tương đối ít các ion di động được tạo ra bởi khí phóng xạ, tia cực tím hoặc tia vũ trụ. Vì độ dẫn điện thấp nên khí là chất điện môi hoặc chất cách điện . Tuy nhiên, một khi điện trường áp dụng đạt đến giá trị đánh thủng , các điện tử tự do trở nên đủ gia tốc bởi điện trường để tạo ra các điện tử tự do bổ sung bằng cách va chạm và ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử khí trung hòa trong một quá trình được gọi là đánh thủng tuyết lở . Quá trình phân hủy tạo thành plasmachứa đủ các điện tử di động và các ion dương để làm cho nó trở thành vật dẫn điện. Trong quá trình này, nó tạo thành một đường dẫn phát ra ánh sáng, chẳng hạn như tia lửa , hồ quang hoặc tia sét .

Plasma là trạng thái vật chất trong đó một số electron trong chất khí bị tách ra hoặc bị "ion hóa" khỏi phân tử hoặc nguyên tử của chúng. Plasma có thể được tạo thành do nhiệt độ cao , hoặc do ứng dụng của điện trường cao hoặc từ trường xoay chiều như đã nêu ở trên. Do khối lượng của chúng thấp hơn, các electron trong plasma tăng tốc phản ứng với điện trường nhanh hơn so với các ion dương nặng hơn, và do đó mang theo phần lớn dòng điện. Các ion tự do tái kết hợp để tạo ra các hợp chất hóa học mới (ví dụ, phá vỡ oxy trong khí quyển thành oxy đơn [O ₂ → 2O], sau đó tái kết hợp tạo ra ozon [O ₃ ]). ^[21]

Máy hút bụi

Vì một " chân không hoàn hảo " không chứa các hạt tích điện, nó thường hoạt động như một chất cách điện hoàn hảo. Tuy nhiên, bề mặt điện cực kim loại có thể làm cho một vùng chân không trở nên dẫn điện bằng cách tiêm các điện tử hoặc ion tự do thông qua phát xạ điện tử trường hoặc phát xạ nhiệt điện tử . Sự phát xạ nhiệt xảy ra khi nhiệt năng vượt quá chức năng làm việc của kim loại , trong khi sự phát xạ điện tử trường xảy ra khi điện trường ở bề mặt kim loại đủ cao để gây ra sự đào hầm , dẫn đến sự phóng ra các điện tử tự do từ kim loại vào chân không. Các điện cực được làm nóng bên ngoài thường được sử dụng để tạo ra một đám mây điện tửnhư trong dây tóc hoặc catốt nung nóng gián tiếp của ống chân không . Các điện cực lạnh cũng có thể tạo ra các đám mây điện tử một cách tự phát thông qua phát xạ nhiệt khi các vùng nóng sáng nhỏ (gọi là điểm cực âm hoặc điểm cực dương ) được hình thành. Đây là những vùng nóng sáng của bề mặt điện cực được tạo ra bởi dòng điện cao cục bộ. Những vùng này có thể được bắt đầu bằng phát xạ điện tử trường , nhưng sau đó được duy trì bằng phát xạ nhiệt cục bộ khi hình thành hồ quang chân không . Những vùng phát ra điện tử nhỏ này có thể hình thành khá nhanh, thậm chí bùng nổ, trên bề mặt kim loại chịu điện trường cao. Ống chân khôngvà sprytron là một số thiết bị chuyển mạch và khuếch đại điện tử dựa trên độ dẫn chân không.

Siêu dẫn

Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở chính xác bằng 0 và sự trục xuất của từ trường xảy ra trong một số vật liệu khi được làm nguội dưới nhiệt độ tới hạn đặc trưng . Nó được phát hiện bởi Heike Kamerlingh Onnes vào ngày 8 tháng 4 năm 1911 ở Leiden . Giống như thuyết sắt từ và các vạch phổ nguyên tử , hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng cơ lượng tử . Nó được đặc trưng bởi hiệu ứng Meissner , sự phóng ra hoàn toàn của các đường sức từ trườngtừ bên trong của chất siêu dẫn khi nó chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Sự xuất hiện của hiệu ứng Meissner chỉ ra rằng hiện tượng siêu dẫn không thể được hiểu đơn giản là sự lý tưởng hóa độ dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển .

Chất bán dẫn

Trong chất bán dẫn , đôi khi hữu ích khi coi dòng điện là do dòng chảy của các " lỗ trống " dương (các hạt mang điện tích dương di động là những nơi mà tinh thể bán dẫn thiếu điện tử hóa trị). Đây là trường hợp của chất bán dẫn loại p. Chất bán dẫn có độ dẫn điện trung gian giữa độ lớn của chất dẫn điện và chất cách điện . Điều này có nghĩa là độ dẫn điện gần như nằm trong khoảng 10 ⁻² đến 10 ⁴ siemens trên cm (S⋅cm ⁻¹ ).

Trong chất bán dẫn tinh thể cổ điển, các điện tử chỉ có thể có năng lượng trong các dải nhất định (tức là các dải mức năng lượng). Về mặt năng lượng, các dải này nằm giữa năng lượng của trạng thái cơ bản, trạng thái mà các điện tử liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử của vật liệu, và năng lượng điện tử tự do, năng lượng sau mô tả năng lượng cần thiết để một điện tử thoát hoàn toàn khỏi vật chất. Mỗi dải năng lượng tương ứng với nhiều trạng thái lượng tử rời rạc của các electron, và hầu hết các trạng thái có năng lượng thấp (gần hạt nhân hơn) đều bị chiếm dụng, cho đến một dải cụ thể gọi là dải hóa trị . Chất bán dẫn và chất cách điện được phân biệt với kim loạibởi vì vùng hóa trị trong bất kỳ kim loại nhất định nào gần như chứa đầy các electron trong các điều kiện hoạt động thông thường, trong khi rất ít (chất bán dẫn) hoặc hầu như không có (chất cách điện) trong số chúng có sẵn trong vùng dẫn , vùng nằm ngay trên vùng hóa trị.

Sự dễ dàng của các điện tử kích thích trong chất bán dẫn từ vùng hóa trị đến vùng dẫn phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm giữa các vùng. Kích thước của vùng cấm năng lượng này đóng vai trò như một đường phân chia tùy ý (khoảng 4 eV ) giữa chất bán dẫn và chất cách điện .

Với liên kết cộng hóa trị, một electron di chuyển bằng cách nhảy sang một liên kết lân cận. Các Nguyên lý loại trừ Pauli đòi hỏi rằng các electron được dỡ bỏ vào tình trạng chống kết dính cao hơn trái phiếu đó. Đối với các trạng thái phân chia, ví dụ ở một chiều - tức là trong một dây nano , đối với mọi năng lượng đều có một trạng thái với các điện tử chuyển động theo một hướng và một trạng thái khác với các điện tử chuyển động theo hướng khác. Để dòng điện chạy qua, phải có nhiều trạng thái cho một hướng hơn là cho hướng khác. Để điều này xảy ra, cần phải có năng lượng, vì trong chất bán dẫn, các trạng thái cao hơn tiếp theo nằm trên vùng cấm. Thông thường điều này được phát biểu là: dải đầy đủ không đóng góp vào tính dẫn điện . Tuy nhiên, khi nhiệt độ của chất bán dẫn tăng lên trênđộ không tuyệt đối , có nhiều năng lượng hơn trong chất bán dẫn để chi tiêu cho dao động mạng tinh thể và cho các điện tử kích thích vào vùng dẫn. Các điện tử mang dòng điện trong vùng dẫn được gọi là các điện tử tự do , mặc dù chúng thường được gọi đơn giản là các điện tử nếu điều đó rõ ràng trong ngữ cảnh.

Mật độ dòng điện và định luật Ôm

Mật độ dòng điện là tốc độ mà điện tích đi qua một khu vực đơn vị đã chọn. ^{[22] : 31} Nó được định nghĩa là một vectơ có cường độ là cường độ dòng điện trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang. ^{[2] : 749} Như đã thảo luận trong Hướng tham khảo , hướng là tùy ý. Thông thường, nếu các điện tích chuyển động là dương, thì mật độ dòng điện có cùng dấu với vận tốc của các điện tích. Đối với các điện tích âm, dấu của mật độ dòng điện ngược với vận tốc của các điện tích. ^{[2] : 749} Trong đơn vị SI , mật độ dòng điện (ký hiệu: j) được biểu thị bằng đơn vị cơ bản SI là ampe trên mét vuông. ^{[4] :22}

Trong các vật liệu tuyến tính như kim loại và dưới tần số thấp, mật độ dòng điện qua bề mặt dây dẫn là đồng nhất. Trong các điều kiện như vậy, định luật Ohm phát biểu rằng dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu (ngang) của điện trở kim loại (lý tưởng) đó (hoặc thiết bị ohmic khác ):

${\ displaystyle I = {V \ over R} \ ,,}$

ở đâu ${\ displaystyle I}$ là dòng điện, được đo bằng ampe; ${\ displaystyle V}$là hiệu điện thế , được đo bằng vôn ; và${\ displaystyle R}$là điện trở , được đo bằng ohms . Đối với dòng điện xoay chiều , đặc biệt là ở tần số cao hơn, hiệu ứng da làm cho dòng điện lan truyền không đều trên tiết diện dây dẫn, với mật độ cao hơn ở gần bề mặt, do đó làm tăng điện trở biểu kiến.

Tốc độ trôi

Các hạt tích điện di động bên trong vật dẫn chuyển động liên tục theo các hướng ngẫu nhiên, giống như các hạt của chất khí . (Chính xác hơn là khí Fermi .) Để tạo ra dòng điện tích ròng, các hạt cũng phải chuyển động cùng nhau với tốc độ trôi trung bình. Các electron là chất mang điện tích trong hầu hết các kim loại và chúng đi theo một con đường thất thường, bật từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, nhưng nói chung trôi theo hướng ngược lại của điện trường. Tốc độ chúng trôi dạt có thể được tính theo phương trình:

${\ displaystyle I = nAvQ \ ,,}$

ở đâu

${\ displaystyle I}$ là dòng điện

${\ displaystyle n}$ là số hạt mang điện trên một đơn vị thể tích (hoặc mật độ hạt mang điện)

${\ displaystyle A}$ là diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn

${\ displaystyle v}$là vận tốc trôi , và

${\ displaystyle Q}$ là điện tích trên mỗi hạt.

Thông thường, các điện tích trong chất rắn chảy chậm. Ví dụ, trong một sợi dây đồng có tiết diện 0,5 mm ² , mang dòng điện 5 A, vận tốc trôi của các êlectron theo bậc là milimét trên giây. Để lấy một ví dụ khác, trong chân không gần bên trong ống tia âm cực , các electron chuyển động theo đường thẳng gần bằng một phần mười tốc độ ánh sáng .

Bất kỳ điện tích gia tốc nào, và do đó bất kỳ dòng điện thay đổi nào, đều làm phát sinh sóng điện từ lan truyền với tốc độ rất cao bên ngoài bề mặt của vật dẫn. Tốc độ này thường là một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng, như có thể được suy ra từ phương trình Maxwell , và do đó nhanh hơn nhiều lần so với vận tốc trôi của các electron. Ví dụ, trong đường dây điện xoay chiều , sóng năng lượng điện từ lan truyền trong không gian giữa các dây dẫn, di chuyển từ nguồn đến tải ở xa , mặc dù các electron trong dây chỉ chuyển động qua lại trong một khoảng cách rất nhỏ.

Tỷ số giữa tốc độ của sóng điện từ với tốc độ ánh sáng trong không gian tự do được gọi là hệ số vận tốc , và phụ thuộc vào đặc tính điện từ của vật dẫn và vật liệu cách điện xung quanh nó, và hình dạng và kích thước của chúng.

Độ lớn (không phải bản chất) của ba vận tốc này có thể được minh họa bằng một phép tương tự với ba vận tốc tương tự liên quan đến chất khí. (Xem thêm phép tương tự thủy lực .)

• Vận tốc trôi thấp của chất mang điện tích tương tự như chuyển động trong không khí; nói cách khác, gió.
• Tốc độ cao của sóng điện từ gần giống với tốc độ âm thanh trong chất khí (sóng âm thanh di chuyển trong không khí nhanh hơn nhiều so với chuyển động quy mô lớn như đối lưu )
• Chuyển động ngẫu nhiên của các điện tích tương tự với nhiệt - vận tốc nhiệt của các hạt khí dao động ngẫu nhiên.

Xem thêm

Ghi chú

Người giới thiệu