Conducció elèctrica

Conducció de l'electricitat per mig de cables metàlics

La conducció elèctrica és el moviment de partícules eléctricamente carregades a través d'un conductor elèctric. El moviment de les càrregues constituïx una corrent elèctrica. El transport de les càrregues pot ser a conseqüència de l'existència d'un camp elèctric, o per un gradient de concentració en la densitat de càrrega, o siga, per difusió. La conducció en metalés i resistències està ben descrita per la Llei de Ohm, que establix que la corrent és proporcional al camp elèctric aplicat. Es calcula la conductivitat σ per a caracterisar la facilitat en la que apareix en un material una densitat de corrent (corrent per unitat d'àrea) j, definida com:

j = σ I

o pel seu recíproc la resistividad ρ:

j = I / ρ

La conducció en dispositius semiconductors pot donar-se per una combinació de camp elèctric (deriva) i de difusió. La densitat de corrent és llavors

j = σ I + D ∇qn

sent q la càrrega elèctrica elemental i n la densitat d'electrons. Els portadors es mouen en la direcció d'afluixó de la concentració, de manera que per als electrons una corrent positiva és resultat d'una gradient de densitat positiu. Si els portadors són "buits", canvie's la densitat d'electrons n pel negatiu de la densitat de buits p.

En els materials linealment anisótropos, o, ρ i D són tensorés.

Sòlits (inclosos els sòlits aïllants)

En els sòlits cristalins, els àtoms interaccionen en els seus veïns, i els nivells d'energia dels àtoms individuals formen bandes. El fet de que un material conduïxca o no, ve determinat per la seua estructura de bandes i per l'ocupació de dites bandes determinada pels nivells de Fermi. Els electrons, en ser fermiones, seguixen el principi d'exclusió de Pauli, per lo que dos electrons dins d'un mateix sistema d'interaccions no poden ocupar el mateix estat, la qual cosa significa que els seus quatre números quàntics han de diferir. Aixina els electrons en un sòlit reblixen bandes d'energia fins a un cert nivell, cridat l'energia de Fermi. Les bandes que estan completament plenes d'electrons no poden conduir l'electricitat, perque no hi ha estats propencs d'energia als que els electrons puguen botar. Els materials en totes les bandes plenes (l'energia de Fermi és entre dos bandes) són aïllants. No obstant, en alguns casos, la Teoria de bandes falla i materials que es predien com a conductors per la Teoria de bandes es tornen aïllants. Els aïllants de Mott i els aïllants per transferència de càrrega són dos classes d'eixemples.

Metals

Els metals són bons conductors de l'electricitat i de la calor perque tenen espais sense reblir en la banda d'energia de valència. (El nivell de Fermi marca una ocupació solament parcial de la banda). En absència de camps elèctrics, la conducció elèctrica es produïx en totes direccions a velocitats molt elevades. Inclús a la temperatura més freda possible - en el zero absolut - la conducció elèctrica pugues encara donar-se a les velocitat de Fermi (la velocitat dels electrons en energia de Fermi). Quan s'aplica un camp elèctric, un llauger desequilibri desenrolla un fluix dels electrons mòvils. Els electrons d'esta banda poden vore's accelerats pel camp perque hi ha multitut d'estats propencs sense reblir en la banda.

La resistència en els metals es dona per la dispersió d'electrons des de defectes en l'entramat o per fonones. El model de Drude representa una teoria grossera clàssica per a metals senzills, en el que la dispersió és caracterisada per un temps de relaixació τ. La conductivitat ve llavors donada per la fòrmula:

$\sigma =\frac{n{e}^2\tau }{m}$

a on n és la densitat de conducció elèctrica, i és la càrrega de l'electró, i m és la massa de l'electró. Un model millor és el de l'anomenada teoria semiclásica, en la qual l'efecte de la potencial periodicitat de l'entramat sobre els electrons els dota d'una massa efectiva (ref. teoria de bandes).

Semiconductors

El nivell de Fermi en un semiconductor està situat de manera que està o ple o buit. Un sòlit que no té bandes parcialment reblixes és un aïllant, pero a temperatures finitas, els electrons poden ser excitats tèrmicament des de la banda de valència fins a la següent més elevada, la banda de conducció que està buida. La fracció d'electrons excitada d'esta manera depén de la temperatura i del bot entre bandes, que és la diferència d'energia entre les dos bandes. En excitar estos electrons en la banda de conducció es deixen arrere buits carregats positivament en la banda de valència, que també poden conduir l'electricitat.

En els semiconductors, les impurees afecten àmpliament a la concentració i al tipo dels portadors de càrregues. Les impurees donants (de tipo n) tenen electrons de valència extra en energies molt propenques a les de la banda de conducció que poden ser fàcilment excitats tèrmicament cap a la banda de conducció. L'impurees aceptoras (de tipo p) capturen electrons des de la banda de valència, facilitant la formació de buits. Si un aïllant és dopat en suficients impurees, pot donar-se una transició de Mott i que l'aïllant passe a ser conductor.

Superconductores

Els superconductores són conductors perfectes (de resistència elèctrica zero) mentres estiguen gelats per baix d'una certa temperatura crítica específica per a cada material. En certs metals i en alguns atres materials no metàlics, es dona una transició a la superconductividad quan s'alcancen molt baixes temperatures (sub-criogèniques). El fenomen ocorre per una interacció entre les partícules que transporten la corrent elèctrica i l'estructura cristalina particular del material. Participen vàries parts del sistema (en els metals, els fonones), els electrons s'emparellen en parells de Cooper. Els parells de Cooper bosónicos formen un superfluit que té resistència zero. Vore la teoria BCS.

Quan conduïxen corrent alterna, els superconductores experimenten una chicoteta resistència elèctrica. Segons Reitz, Milford i Chisty, la corrent és una mescla de corrent superconductora, corrent de malbarat i corrent de desplaçament. Açò no inclou a la reactància, que també s'establix en el superconductor en circular corrent alterna, i que no dissipa energia. La corrent disipativa és la que experimenta resistència. Quan circula corrent contínua, la corrent de malbarat i la corrent de desplaçament són zero, per lo que la corrent total experimenta una resistència zero. Pero no aixina en corrent alterna. Per a la majoria dels propòsits, la corrent de malbarat és tan chicoteta que es pot ignorar (Reitz et al diuen fins a 100 GHz), no obstant, per a experiments sensibles, es té en conte la pèrdua per resistència. Dita resistència aumenta en la freqüència.

En la presència d'un camp magnètic extern, un superconductor pot ser de Tipo I, lo que significa que té un sol valor de camp magnètic crític, per damunt del com es pert tota la superconductividad i per baix del com el camp magnètic és completament expulsat del superconductor; o pot ser de Tipo II, lo que significa que té dos camps magnètics crítics, entre els quals permet la penetració parcial del camp magnètic a través de punts aïllats. Estos punts es diuen vórtices. Ademés, en superconductores multicomponente, és possible tindre una combinació dels dos comportaments. En eixe cas el superconductor és de Tipo-1.5 El valor del camp magnètic crític disminuïx, en incrementar la corrent en el superconductor. Açò implica que el superconductor pot conduir menys cantitat de corrent en estar en presència d'un camp magnètic extern. En aumentar-se la corrent fins a un valor crític, el superconductor pert tota la superconductividad, fins que es disminuïxca la corrent, o que es disminuïxca el camp magnètic, o que es baix més la temperatura.

Electrolitos

Les dissolució de substàncies electrolítiques també són conductores de l'electricitat

Les corrents elèctriques en els electrolitos són fluix d'ions eléctricamente carregats. Per eixemple, si se somet una dissolució de Na⁺ i Cl^– a un camp elèctric, els ions de sodi es mouran de forma constant cap a l'electrodo negatiu (Càtodo), mentres que els ions de clor es mouran cap a l'electrodo positiu (Ànodo). Si les condicions són les correctes, es produiran reaccions redox en la superfície dels electrodos, lliberant electrons el clor i possibilitant que s'absorbixquen electrons en el sodi.

El gèl d'aigua i certs electrolitos sòlits cridats conductors de protones contenen ions positius d'hidrogen que són de moviment lliure. En estos materials, les corrents elèctriques estan compostes per protones en moviment (contràriament als electrons mòvils que trobem en els metalés).

En certes mescles electrolítiques, poblacions de ions brillantemente coloreados formen les càrregues elèctriques en moviment. La llenta migració d'eixos ions a lo llarc d'una corrent elèctrica és un eixemple de situació a on una corrent és directament visible als ulls humans.

Vore també: Electrólisis

Gasos i plasmes

En l'aire i en uns atres gasés corrents, per baix del domini de ruptura, la font dominant de conducció elèctrica és a través d'un relativament reduït número de ions mòvils produïts per gasos radioactivos, llum ultravioleta, o rajos còsmics. Ya que la conductivitat elèctrica és extremadament baixa, els gasos són dielèctrics o aïllants. No obstant, quan el camp elèctric aplicat s'aproxima al valor de ruptura, els electrons lliures alcancen una acceleració suficient per part del camp elèctric com per a crear electrons lliures adicionals per mig de la colisió, i l'ionisació dels àtoms o les molècules neutres del gas en un procés cridat ruptura en remugada. El procés de ruptura forma un plasma que conté un número significatiu d'electrons mòvils i de ions positius, per lo que es comporta com un conductor elèctric. En el procés, es forma una senda conductora que emet llum, com una purna, un arc o un raig.

Un plasma és un estat de la matèria a on alguns dels electrons d'un gas han segut separats o "ionizados" de les seues molècules o àtoms. Un plasma pot formar-se per altes temperatures, o per l'aplicació d'un camp elèctric o magnètic intens. Per la seua masses inferiors, els electrons en un plasma acceleren més en resposta a un camp elèctric que els ions positius de major pes, per lo que carreguen en el gros de la corrent.

Uns atres

Ya que un buit perfecte no conté partícules carregades, els buits normalment es comporten com a aïllants perfectes (serien els majors aïllants coneguts). Pese a això, les superfícies dels electrodos de metal poden causar que una regió de buit es convertixca en conductora per l'injecció d'electrons lliures o d'ions a través tant d'emissions de camp com d'emissions termoiòniques. Les emissions termoiòniques ocorren quan l'energia termal excedix a la funció treballe, mentres que les emissions tenen lloc quan el camp elèctric en la superfície del metal és lo suficientment elevat com per a causar un efecte túnel, el qual desemboca en el llançament d'electrons lliures des del metal al buit. Se solen amprar electrodos calfats externament per a generar una núvol d'electrons com en el filament o en el càtodo calfat indirectament de les vàlvules termoiòniques. Els electrodos frets poden també produir núvols d'electrons espontàneament a pur de emissions termoiòniques quan es formen chicotetes regions incandescents (cridades punts catódicos o punts anódicos). Estes són regions incandescents de la superfície de l'electrodo que són creades per fluix de corrent localizadamente elevats. Poden haver-se iniciat per emissions de camp, pero llavors són mantingudes per emissions termoiòniques localisades una volta que s'ha format l'arc de buit. Estes zones d'emissió d'electrons es poden formar molt ràpidament, inclús de forma explosiva, en superfícies de metal subjectes a camps elèctrics elevats. Les vàlvules termoiòniques i els sprytrones són alguns dels interruptors electrònics i dels dispositius d'amplificament basats en la conductivitat en el buit.