Fizika · Elektricitet

Električna struja u metalima i gasovima

Nosioci struje u metalima, jonizacija i pražnjenje u gasovima.

Skroluj ↓

Struja u metalima

Slobodni elektroni

  • Nosioci struje u metalima su elektroni.
  • Slabo vezani elektroni iz spoljašnje ljuske prelaze u domen susjednog atoma, pa trećeg… i tako postaju slobodni.
  • Pozitivni joni osciluju oko ravnotežnog položaja u kristalnoj rešetki.

Struja u metalima

Elektronski gas

  • Slobodni elektroni se ponašaju slično idealnom gasu: bez polja se kreću haotično.
  • Uz razliku potencijala nastaje polje E i sila F = eE koja elektronima daje ubrzanje.
  • Napomena: elektroni se kreću suprotno smjeru polja, F = −eE.

Elektronska teorija

Sudari i drift-brzina

  • Elektron se ubrzava samo između dva sudara, sa drugim elektronom ili jonom rešetke.
  • Sudari stvaraju silu otpora, suprotnu sili polja. Kad se uravnoteže, elektroni dobiju srednju drift-brzinu vd, reda nekoliko mm/s.
  • Mala brzina je dovoljna za veliku struju zbog velike koncentracije slobodnih elektrona.
vt v_d (srednja brzina)

Važniji iskazi i formule

Osnovne formule

I = q / t

Jačina struje: količina elektriciteta kroz presjek u jedinici vremena.

I = U / R

Omov zakon: struja je srazmjerna naponu, a obrnuto srazmjerna otporu.

R = ρ·l / S

Otpor zavisi od dužine l, presjeka S i specifičnog otpora ρ.

R = R₀(1 + αt)

Kod metala otpor raste s temperaturom, kod elektrolita i poluprovodnika opada.

Primjer: otpornik R = 10 Ω na naponu U = 5 V → I = U/R = 0,5 A. Za t = 20 s proteče q = I·t = 10 C.

Struja u gasovima

Gasovi i jonizacija

  • Atomi i molekuli gasa su neutralni, nema slobodnih nosilaca naboja.
  • Jonizator (plamen, zračenje…) odvaja elektrone: nastaju pozitivni i negativni joni i slobodni elektroni.
  • Ogled: galvanometar ne skreće. Kad se među ploče stavi upaljena šibica, skrene.
−+ G

Nesamostalno provođenje

Struja zasićenja

  • Struja teče samo dok djeluje jonizator, prestankom djelovanja prestaje i provođenje.
  • Pri malim naponima je struja približno srazmjerna naponu, zatim dostiže is: svi stvoreni joni već stižu do elektroda.
  • Veća struja zasićenja traži jači jonizator.
IU i_s (zasićenje) U_u

Samostalno provođenje

Udarna jonizacija i varnica

  • Pri naponu Uu primarni joni dobiju toliko energije da jonizuju neutralne atome. Nastaju sekundarni joni i njihov broj naglo raste.
  • Pražnjenje se održava samo, bez spoljašnjeg jonizatora. Uu zavisi od pritiska, vrste gasa i rastojanja elektroda.
  • U vazduhu pri normalnom pritisku varnica skače pri polju oko 30000 V/cm.

Primjer iz prirode: munja je džinovska varnica u vazduhu.

fluorescentne sijalicebljeskaliceelektrolučno zavarivanjevisokonaponski prekidači

Četvrto agregatno stanje

Plazma

  • Posebno stanje supstancije s visokim stepenom jonizacije. Najčešće je to gasna plazma, ali postoji i u poluprovodnicima i elektrolitima.
  • Površina Sunca ima nekoliko hiljada stepeni, a unutrašnjost do desetine miliona.
  • Čak i razrijeđena međuzvjezdana supstanca je svojevrsna plazma.

Gasne cijevi

Tinjavo pražnjenje

  • Nastaje pri sniženom pritisku: niži napon, zanemarljiv zvuk, ravnomjerna svjetlost.
  • Fluorescentne sijalice: živina para emituje ultraljubičasto, a sloj na zidu ga pretvara u svjetlost sličnu dnevnoj. Tri do četiri puta su ekonomičnije od običnih.

Pražnjenje pri sniženom pritisku

Katodni i kanalski zraci

  • Katodni zraci dolaze sa katode. Krajem 19. stoljeća utvrđeno je da su to brzi elektroni.
  • Kanalski zraci idu u suprotnom smjeru i čine ih pozitivni joni.
  • Ovi ogledi su ključni za razvoj atomske fizike i elektronike.
KA

Ogled

Ogled s elektroskopom

  • Naelektrisani elektroskop se razelektriše kad mu prineseš upaljenu šibicu: listići se skupe.
  • Plamen jonizuje vazduh. Joni suprotnog znaka dolaze do elektroskopa i neutrališu njegov naboj.