กระแสไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทาง ข้ามไปที่การค้นหา

กระแสไฟฟ้า
Ohm's Law with Voltage source TeX.svg
วงจรไฟฟ้าอย่างง่าย โดยแสดงกระแสด้วยตัวอักษรผม . ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน (V) ความต้านทาน (R) และกระแส (I) คือ V=IR; นี้เรียกว่ากฎของโอห์ม
สัญลักษณ์ทั่วไป
ผม
หน่วย SIกระแสไฟ
มาจาก
ปริมาณอื่นๆ
มิติ

กระแสไฟฟ้าคือกระแสของอนุภาคที่มีประจุเช่นอิเล็กตรอนหรือไอออนย้ายผ่านตัวนำไฟฟ้าหรือพื้นที่ มีหน่วยวัดเป็นอัตราสุทธิของการไหลของค่าใช้จ่ายไฟฟ้าผ่านพื้นผิวหรือเป็นปริมาณการควบคุม [1] : 2 [2] : 622อนุภาคเคลื่อนที่เรียกว่าตัวพาประจุซึ่งอาจเป็นหนึ่งในอนุภาคหลายประเภท ขึ้นอยู่กับตัวนำ ในวงจรไฟฟ้าผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายมักจะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านลวดในเซมิคอนดักเตอร์ที่พวกเขาสามารถอิเล็กตรอนหรือหลุม ใน อิเล็กโทรไลต์ตัวพาประจุคือไอออนในขณะที่ในพลาสมาก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน พวกมันคือไอออนและอิเล็กตรอน [3]

SIหน่วยของกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์หรือแอมป์ซึ่งเป็นการไหลของค่าใช้จ่ายไฟฟ้าบนพื้นผิวในอัตราหนึ่งที่คูลอมบ์ต่อวินาที แอมแปร์ (สัญลักษณ์: A) เป็นหน่วยฐาน SI [4] : 15ไฟฟ้าในปัจจุบันมีการวัดโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าแอมป์มิเตอร์ [2] : 788

กระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กที่ใช้ในมอเตอร์, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลง ในตัวนำไฟฟ้าธรรมดาที่พวกเขาก่อให้เกิดความร้อนจูลซึ่งจะสร้างแสงในหลอดไฟสว่างจ้า กระแสที่แปรผันตามเวลาปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคมเพื่อออกอากาศข้อมูล

เครื่องหมาย

สัญลักษณ์ทั่วไปสำหรับกระแสคือIซึ่งมาจากวลีภาษาฝรั่งเศสintensité du courant (ความเข้มปัจจุบัน) [5] [6]เข้มปัจจุบันมักจะเรียกง่าย ๆ ว่าปัจจุบัน [7] ฉันสัญลักษณ์ถูกใช้โดยAndré-Marie Ampèreหลังจากที่หน่วยของกระแสไฟฟ้าเป็นชื่อในการกำหนดกฎหมายมีผลบังคับใช้ของAmpère (1820) [8] สัญกรณ์เดินทางจากฝรั่งเศสไปยังบริเตนใหญ่ซึ่งกลายเป็นมาตรฐานแม้ว่าวารสารอย่างน้อยหนึ่งฉบับไม่ได้เปลี่ยนจากการใช้Cเป็นIจนถึงปี พ.ศ. 2439 [9]

อนุสัญญา

อิเล็กตรอนที่ผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายในวงจรไฟฟ้าไหลในทิศทางตรงข้ามของกระแสไฟฟ้าทั่วไป
สัญลักษณ์สำหรับแบตเตอรี่ที่วงจร

ในวัสดุนำย้ายอนุภาคมีประจุที่เป็นกระแสไฟฟ้าจะถูกเรียกว่าผู้ให้บริการคิดค่าใช้จ่ายในโลหะซึ่งประกอบเป็นสายไฟและตัวนำอื่น ๆ ในวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่นิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวกของอะตอมจะอยู่ในตำแหน่งคงที่ และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเป็นตัวพาประจุ ซึ่งเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในโลหะ ในวัสดุอื่นๆ โดยเฉพาะสารกึ่งตัวนำตัวพาประจุอาจเป็นบวกหรือลบก็ได้ ขึ้นอยู่กับสารเจือปนที่ใช้ ตัวพาประจุบวกและประจุลบอาจมีปรากฏพร้อมกันเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์ไฟฟ้าเคมี

การไหลของประจุบวกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเท่ากัน และมีผลเช่นเดียวกันในวงจร เมื่อประจุลบไหลในทิศทางตรงกันข้ามเท่ากัน เนื่องจากในปัจจุบันจะสามารถไหลของทั้งประจุบวกหรือเชิงลบหรือทั้งสองการประชุมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทิศทางของกระแสที่เป็นอิสระจากประเภทของผู้ให้บริการคิดค่าใช้จ่าย ทิศทางของกระแสทั่วไปถูกกำหนดโดยพลการว่าเป็นทิศทางที่ประจุบวกไหล ตัวพาประจุลบ เช่น อิเล็กตรอน (ตัวพาประจุในสายโลหะและส่วนประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ มากมาย) จึงไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟแบบธรรมดาในวงจรไฟฟ้า

ทิศทางอ้างอิง

กระแสในองค์ประกอบลวดหรือวงจรสามารถไหลได้สองทิศทาง เมื่อกำหนดตัวแปร เพื่อเป็นตัวแทนในปัจจุบันทิศทางที่เป็นตัวแทนในปัจจุบันในเชิงบวกจะต้องระบุโดยมักจะมีลูกศรบนวงจร แผนภาพ [a] : 13 สิ่งนี้เรียกว่าทิศทางอ้างอิงของกระแส. เมื่อวิเคราะห์วงจรไฟฟ้ามักจะไม่ทราบทิศทางที่แท้จริงของกระแสผ่านองค์ประกอบวงจรเฉพาะจนกว่าการวิเคราะห์จะเสร็จสิ้น ดังนั้น ทิศทางอ้างอิงของกระแสน้ำจึงมักถูกกำหนดโดยพลการ เมื่อวงจรได้รับการแก้ไข ค่าลบสำหรับกระแสแสดงถึงทิศทางที่แท้จริงของกระแสผ่านองค์ประกอบวงจรนั้นอยู่ตรงข้ามกับทิศทางอ้างอิงที่เลือก [b] : 29

กฎของโอห์ม

กฎของโอห์มระบุว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวนำระหว่างจุดสองจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต่างศักย์ระหว่างจุดทั้งสอง แนะนำอย่างต่อเนื่องของสัดส่วนที่ต้านทาน , [11]หนึ่งมาถึงที่สมการทางคณิตศาสตร์ปกติที่อธิบายความสัมพันธ์นี้: [12]

ที่ฉันเป็นปัจจุบันผ่านตัวนำในหน่วยงานของแอมแปร์ , Vคือความแตกต่างที่มีศักยภาพวัดทั่วตัวนำในหน่วยของโวลต์และRคือความต้านทานของตัวนำในหน่วยของโอห์ม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎของโอห์มระบุว่าRในความสัมพันธ์นี้เป็นค่าคงที่ ไม่ขึ้นกับกระแส [13]

กระแสสลับและกระแสตรง

ในกระแสสลับ (AC) ระบบการเคลื่อนไหวของค่าใช้จ่ายไฟฟ้าเป็นระยะ ๆ กลับทิศทาง ไฟฟ้ากระแสสลับเป็นรูปแบบของพลังงานไฟฟ้าที่ส่วนใหญ่ส่งไปยังธุรกิจและที่อยู่อาศัย ปกติรูปแบบของคลื่นของไฟ ACวงจรเป็นคลื่นไซน์แม้ว่าบางโปรแกรมใช้รูปแบบคลื่นทางเลือกเช่นรูปสามเหลี่ยมหรือตารางคลื่น สัญญาณเสียงและวิทยุที่ส่งผ่านสายไฟฟ้าเป็นตัวอย่างของกระแสสลับเช่นกัน เป้าหมายที่สำคัญในแอปพลิเคชันเหล่านี้คือการกู้คืนข้อมูลที่เข้ารหัส (หรือมอดูเลต ) ไปยังสัญญาณ AC

ในทางตรงกันข้ามกระแสตรง (DC) หมายถึงระบบที่มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้น (บางครั้งเรียกว่าการไหลแบบทิศทางเดียว) กระแสตรงเป็นที่ผลิตโดยแหล่งต่าง ๆ เช่นแบตเตอรี่ , เทอร์โม , เซลล์แสงอาทิตย์และกระแสไฟฟ้าประเภทเครื่องไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิด กระแสสลับยังสามารถแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงผ่านการใช้rectifierกระแสตรงอาจไหลในตัวนำเช่นลวด แต่ยังสามารถไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์ , ฉนวนหรือแม้กระทั่งผ่านสูญญากาศในขณะที่อิเล็กตรอนหรือไอออนคาน. ชื่อเก่าสำหรับกระแสตรงเป็นไฟฟ้าในปัจจุบัน [14]

เหตุการณ์

ตัวอย่างที่สังเกตธรรมชาติของกระแสไฟฟ้า ได้แก่ฟ้าผ่า , ปล่อยไฟฟ้าคงที่และลมสุริยะแหล่งที่มาของออโรร่าขั้วโลก

การเกิดกระแสไฟฟ้าที่มนุษย์สร้างขึ้น ได้แก่ การไหลของอิเล็กตรอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในสายโลหะ เช่น สายไฟเหนือศีรษะที่ส่งพลังงานไฟฟ้าในระยะทางไกล และสายไฟที่มีขนาดเล็กกว่าภายในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์กระแสน้ำวนเป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตัวนำที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ในทำนองเดียวกันกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยเฉพาะในพื้นผิวของตัวนำสัมผัสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อสั่นกระแสไฟฟ้าไหลที่แรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องในเสาอากาศวิทยุ , คลื่นวิทยุจะถูกสร้างขึ้น

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรูปแบบอื่น ๆ ของกระแสไฟฟ้ารวมถึงการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวต้านทานหรือผ่านสูญญากาศในส่วนหลอดสูญญากาศ , การไหลของไอออนภายในเป็นแบตเตอรี่และการไหลของหลุมภายในโลหะและเซมิคอนดักเตอร์

ตัวอย่างทางชีววิทยาของกระแสคือการไหลของไอออนในเซลล์ประสาทและเส้นประสาท ซึ่งรับผิดชอบทั้งความคิดและการรับรู้ทางประสาทสัมผัส

การวัดกระแส

ปัจจุบันสามารถวัดได้โดยใช้แอมป์มิเตอร์

สามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงด้วยกัลวาโนมิเตอร์แต่วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการตัดวงจรไฟฟ้าซึ่งบางครั้งก็ไม่สะดวก

สามารถวัดกระแสได้โดยไม่ทำลายวงจรโดยการตรวจจับสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับกระแส อุปกรณ์ที่ระดับวงจรใช้เทคนิคต่างๆ ในการวัดกระแส:

ความร้อนต้านทาน

Joule heating หรือที่เรียกว่าohmic heating and resistive heatingเป็นกระบวนการของการกระจายพลังงาน[17] : 36โดยที่กระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำเพิ่มพลังงานภายในของตัวนำ[18] : 846แปลงงานทางอุณหพลศาสตร์เข้าสู่ความร้อน [18] : 846, fn. 5ปรากฏการณ์การศึกษาครั้งแรกโดยเจมส์จูลใน 1841 จูลแช่ความยาวของเส้นลวดในการแก้ไขมวลของน้ำและวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอันเนื่องมาจากปัจจุบันที่รู้จักกันผ่านทางสายสำหรับ 30 นาทีระยะเวลา โดยการเปลี่ยนกระแสและความยาวของเส้นลวด เขาอนุมานได้ว่าความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสคูณด้วยความต้านทานไฟฟ้าของเส้นลวด

ความสัมพันธ์นี้เป็นที่รู้จักกันเป็นกฎหมายจูล [17] : 36 SI หน่วยของพลังงานที่ถูกเสนอชื่อต่อมาจูลและได้รับสัญลักษณ์J [4] : 20หน่วยกำลัง SI ที่รู้จักกันทั่วไปคือวัตต์ (สัญลักษณ์: W) มีค่าเท่ากับหนึ่งจูลต่อวินาที [4] : 20

แม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยกระแสไฟฟ้าในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

ในแม่เหล็กไฟฟ้า ขดลวดจะมีพฤติกรรมเหมือนแม่เหล็กเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เมื่อกระแสไฟดับ ขดลวดจะสูญเสียความเป็นแม่เหล็กไปทันที กระแสไฟฟ้าที่ผลิตสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กสามารถมองเห็นเป็นรูปแบบของเส้นสนามวงกลมรอบเส้นลวดที่คงอยู่ตราบเท่าที่ยังมีกระแสไฟฟ้าอยู่

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

กระแสสลับไหลผ่านโซลินอยด์ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ข้อมูลนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงลวดโดยเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กยังสามารถใช้ทำกระแสไฟฟ้าได้ เมื่อสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงถูกนำไปใช้กับตัวนำ จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) [18] : 1004ซึ่งเริ่มกระแสไฟฟ้าเมื่อมีเส้นทางที่เหมาะสม

คลื่นวิทยุ

เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลในตัวนำรูปทรงที่เหมาะสมที่ความถี่วิทยุ , คลื่นวิทยุที่สามารถสร้าง สิ่งเหล่านี้เดินทางด้วยความเร็วแสงและสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำที่อยู่ห่างไกลได้

กลไกการนำไฟฟ้าในสื่อต่างๆ

ในของแข็งโลหะค่าไฟฟ้าไหลโดยวิธีการของอิเล็กตรอนจากต่ำไปสูงศักย์ไฟฟ้า ในสื่ออื่น ๆ กระแสของวัตถุที่มีประจุ (เช่น ไอออน) อาจประกอบเป็นกระแสไฟฟ้า เพื่อให้คำจำกัดความของกระแสที่ไม่ขึ้นกับประเภทของตัวพาประจุกระแสทั่วไปถูกกำหนดให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับการไหลของประจุบวก ดังนั้น ในโลหะที่ตัวพาประจุ (อิเล็กตรอน) เป็นลบ กระแสธรรมดาจะอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนโดยรวม ในตัวนำที่ตัวพาประจุเป็นบวก กระแสธรรมดาจะอยู่ในทิศทางเดียวกับตัวพาประจุ

ในสุญญากาศอาจเกิดลำไอออนหรืออิเล็กตรอนขึ้นได้ ในวัสดุนำไฟฟ้าอื่นๆ กระแสไฟฟ้าเกิดจากการไหลของอนุภาคที่มีประจุบวกและลบในเวลาเดียวกัน ในอื่น ๆ ยังคงเป็นปัจจุบันคือทั้งหมดเนื่องจากการไหลของประจุบวกตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์คือการไหลของไอออนที่มีประจุบวกและลบ ในเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบตะกั่ว-กรดทั่วไปกระแสไฟฟ้าประกอบด้วยไอออนบวกของไฮโดรเนียมที่ไหลไปในทิศทางเดียว และไอออนลบซัลเฟตจะไหลในอีกทางหนึ่ง กระแสไฟฟ้าในประกายไฟหรือพลาสม่าคือการไหลของอิเล็กตรอนเช่นเดียวกับไอออนบวกและลบ ในน้ำแข็งและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งบางชนิด กระแสไฟฟ้าประกอบด้วยไอออนที่ไหลอยู่ทั้งหมด

โลหะ

ในโลหะบางส่วนของอิเล็กตรอนชั้นนอกในแต่ละอะตอมจะไม่ผูกพันกับโมเลกุลของแต่ละบุคคลที่พวกเขาอยู่ในของแข็งโมเลกุลหรือในวงดนตรีเต็มรูปแบบที่พวกเขามีอยู่ในวัสดุฉนวน แต่มีอิสระที่จะย้ายภายในตาข่ายโลหะ อิเลคตรอนการนำไฟฟ้าเหล่านี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุแบกกระแส โลหะมีความนำไฟฟ้าเป็นพิเศษเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวต่ออะตอมในโครงตาข่าย เมื่อไม่ใช้สนามไฟฟ้าภายนอกอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่แบบสุ่มเนื่องจากพลังงานความร้อนแต่โดยเฉลี่ยแล้ว จะมีกระแสไฟฟ้าสุทธิเป็นศูนย์ภายในโลหะ ที่อุณหภูมิห้อง ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่แบบสุ่มเหล่านี้คือ 106เมตรต่อวินาที [19]เมื่อพิจารณาจากพื้นผิวที่ลวดโลหะผ่านเข้าไป อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ทั้งสองทิศทางผ่านพื้นผิวในอัตราที่เท่ากัน ดังที่George Gamowเขียนไว้ในหนังสือวิทยาศาสตร์ยอดนิยมของเขาหนึ่ง สอง สาม...อินฟินิตี้ (พ.ศ. 2490) "สารที่เป็นโลหะแตกต่างจากวัสดุอื่นๆ โดยข้อเท็จจริงที่ว่าเปลือกชั้นนอกของอะตอมถูกผูกมัดค่อนข้างหลวม และมักจะปล่อยให้อิเล็กตรอนตัวหนึ่งเป็นอิสระ ดังนั้นภายในของโลหะจึงเต็มไปด้วยโลหะขนาดใหญ่ จำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่ติดมันซึ่งเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ อย่างไร้จุดหมายเหมือนกลุ่มผู้พลัดถิ่น เมื่อลวดโลหะอยู่ภายใต้แรงไฟฟ้าที่ใช้กับปลายด้านตรงข้ามอิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้จะพุ่งไปในทิศทางของแรงจึงก่อตัวเป็นสิ่งที่เราเรียกว่ากระแสไฟฟ้า "

เมื่อลวดโลหะเชื่อมต่อผ่านขั้วทั้งสองของแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรง เช่นแบตเตอรี่แหล่งกำเนิดจะวางสนามไฟฟ้าขวางตัวนำ เมื่อมีการสัมผัสอิเล็กตรอนอิสระของตัวนำจะถูกบังคับให้ลอยไปยังขั้วบวกภายใต้อิทธิพลของสนามนี้ อิเล็กตรอนอิสระจึงเป็นตัวพาประจุในตัวนำที่เป็นของแข็งทั่วไป

สำหรับการไหลของประจุที่สม่ำเสมอผ่านพื้นผิว กระแสI (เป็นแอมแปร์) สามารถคำนวณได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

โดยที่Qคือประจุไฟฟ้าที่ถ่ายโอนผ่านพื้นผิวในช่วงเวลาหนึ่ง เสื้อ . ถ้าQและtวัดเป็นคูลอมบ์และวินาทีตามลำดับIจะอยู่ในหน่วยแอมแปร์

โดยทั่วไป กระแสไฟฟ้าสามารถแสดงเป็นอัตราที่ประจุไหลผ่านพื้นผิวที่กำหนดดังนี้:

อิเล็กโทรไลต์

ตัวนำโปรตอนในแบบคงที่สนามไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์คือการไหลของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ( ไอออน ) ตัวอย่างเช่น หากสนามไฟฟ้าวางขวางสารละลายของNa +และCl (และสภาวะถูกต้อง) โซเดียมไอออนจะเคลื่อนเข้าหาขั้วลบ (แคโทด) ในขณะที่คลอไรด์ไอออนจะเคลื่อนที่ไปทางขั้วบวก (แอโนด) ปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่พื้นผิวอิเล็กโทรดทั้งสอง ทำให้อิออนแต่ละตัวเป็นกลาง

น้ำน้ำแข็งและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งบางชนิดที่เรียกว่าตัวนำโปรตอนมีไฮโดรเจนไอออนบวก (" โปรตอน ") ที่เคลื่อนที่ได้ ในวัสดุเหล่านี้ กระแสไฟฟ้าประกอบด้วยโปรตอนเคลื่อนที่ ซึ่งต่างจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในโลหะ

ในส่วนผสมของอิเล็กโทรไลต์บางชนิด ไอออนที่มีสีสดใสคือประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่ ความคืบหน้าช้าของสีทำให้มองเห็นได้ในปัจจุบัน (20)

ก๊าซและพลาสมา

ในอากาศและก๊าซธรรมดาอื่นๆ ที่อยู่ใต้สนามสลาย แหล่งกำเนิดการนำไฟฟ้าที่โดดเด่นคือผ่านไอออนเคลื่อนที่ที่ค่อนข้างน้อยซึ่งเกิดจากก๊าซกัมมันตภาพรังสี แสงอัลตราไวโอเลต หรือรังสีคอสมิก ตั้งแต่การนำไฟฟ้าอยู่ในระดับต่ำเป็นก๊าซdielectricsหรือฉนวนแต่เมื่อนำไปใช้สนามไฟฟ้าแนวทางการสลายมูลค่าอิเล็กตรอนอิสระกลายเป็นเร่งพอสมควรโดยสนามไฟฟ้าที่จะสร้างอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มเติมโดยชนและโอโซนอะตอมก๊าซเป็นกลางหรือโมเลกุลในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายหิมะถล่มกระบวนการสลายก่อตัวเป็นพลาสมาที่มีอิเลคตรอนเคลื่อนที่และไอออนบวกเพียงพอที่จะทำให้เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ ในกระบวนการที่มันเป็นแสงเปล่งเส้นทางนำไฟฟ้าเช่นจุดประกาย , โค้งหรือฟ้าผ่า

พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่อิเล็กตรอนบางส่วนในแก๊สถูกดึงออกหรือ "แตกตัวเป็นไอออน" จากโมเลกุลหรืออะตอมของพวกมัน พลาสมาสามารถเกิดขึ้นได้จากอุณหภูมิสูงหรือโดยการใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสูงหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับดังที่กล่าวไว้ข้างต้น เนื่องจากมวลที่ต่ำกว่า อิเล็กตรอนในพลาสมาจะเร่งปฏิกิริยากับสนามไฟฟ้าได้เร็วกว่าไอออนบวกที่หนักกว่า และด้วยเหตุนี้จึงมีกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก ไอออนอิสระรวมตัวกันใหม่เพื่อสร้างสารประกอบทางเคมีใหม่ (เช่น แยกออกซิเจนในบรรยากาศออกเป็นออกซิเจนเดี่ยว [O 2 → 2O] ซึ่งจากนั้นจะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างโอโซน [O 3 ]) [21]

เครื่องดูดฝุ่น

เนื่องจาก " สุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ " ไม่มีอนุภาคที่มีประจุ จึงมักทำหน้าที่เป็นฉนวนที่สมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม พื้นผิวอิเล็กโทรดของโลหะสามารถทำให้บริเวณสุญญากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้โดยการฉีดอิเล็กตรอนหรือไอออนอิสระผ่านการปล่อยอิเล็กตรอนในสนามหรือการปล่อยความร้อน การแผ่รังสีความร้อนเกิดขึ้นเมื่อพลังงานความร้อนเกินหน้าที่การทำงานของโลหะในขณะที่การปล่อยอิเล็กตรอนในสนามเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าที่พื้นผิวของโลหะสูงพอที่จะทำให้เกิดอุโมงค์ซึ่งส่งผลให้อิเล็กตรอนอิสระออกจากโลหะเข้าสู่สุญญากาศ อิเล็กโทรดที่ให้ความร้อนจากภายนอกมักใช้เพื่อสร้างเมฆอิเล็กตรอนในขณะที่เส้นใยหรือโดยอ้อมแคโทดอุ่นของหลอดสูญญากาศ อิเล็กโทรดเย็นยังสามารถผลิตเมฆอิเล็กตรอนได้เองโดยธรรมชาติผ่านการปล่อยความร้อนเมื่อเกิดบริเวณหลอดไฟฟ้าขนาดเล็ก (เรียกว่าจุดแคโทดหรือจุดแอโนด ) เหล่านี้เป็นบริเวณที่เรืองแสงของพื้นผิวอิเล็กโทรดที่สร้างขึ้นโดยกระแสสูงที่มีการแปล บริเวณเหล่านี้อาจเริ่มต้นโดยการปล่อยอิเล็กตรอนในสนามแต่หลังจากนั้นจะคงอยู่ต่อไปโดยการปล่อยความร้อนแบบโลคัลไลซ์เมื่ออาร์คสุญญากาศก่อตัวขึ้น บริเวณที่ปล่อยอิเล็กตรอนขนาดเล็กเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ค่อนข้างเร็ว แม้จะระเบิดได้ บนพื้นผิวโลหะที่มีสนามไฟฟ้าสูงหลอดสูญญากาศและsprytronsเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งและขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์บางส่วนที่ยึดตามค่าการนำไฟฟ้าสุญญากาศ

ตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ของศูนย์ตรงความต้านทานไฟฟ้าและการขับไล่ของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในวัสดุบางอย่างเมื่อเย็นด้านล่างลักษณะอุณหภูมิวิกฤตมันถูกค้นพบโดยHeike Kamerlingh Onnesวันที่ 8 เมษายน 1911 Leidenเช่นเดียวกับferromagnetismและเส้นสเปกตรัมของอะตอมตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางกลของควอนตัมเป็นลักษณะพิเศษของMeissner effectการดีดออกของเส้นสนามแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์จากภายในของตัวนำยิ่งยวดเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวด การเกิดขึ้นของผล Meissner บ่งชี้ว่ายิ่งยวดไม่สามารถเข้าใจได้ง่าย ๆ ว่ามักใหญ่ใฝ่สูงของการนำความสมบูรณ์แบบในฟิสิกส์คลาสสิก

เซมิคอนดักเตอร์

ในเซมิคอนดักเตอร์บางครั้งก็มีประโยชน์ที่จะนึกถึงกระแสเนื่องจากการไหลของ " รู " ที่เป็นบวก (ตัวพาประจุบวกเคลื่อนที่ซึ่งเป็นสถานที่ที่คริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ไม่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน) นี่เป็นกรณีในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p เซมิคอนดักเตอร์มีการนำไฟฟ้าในกลางขนาดระหว่างที่ของตัวนำและฉนวนกันความร้อนนี่หมายถึงค่าการนำไฟฟ้าโดยประมาณในช่วง 10 −2 ถึง 10 4 ซีเมนส์ต่อเซนติเมตร (S⋅cm −1 )

ในเซมิคอนดักเตอร์แบบผลึกคลาสสิก อิเล็กตรอนสามารถมีพลังงานได้เฉพาะในบางแถบเท่านั้น (เช่น ช่วงของระดับพลังงาน) อย่างกระฉับกระเฉง แถบเหล่านี้ตั้งอยู่ระหว่างพลังงานของสถานะพื้น สถานะที่อิเล็กตรอนถูกผูกมัดอย่างแน่นหนากับนิวเคลียสอะตอมของวัสดุ และพลังงานอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งอธิบายพลังงานที่จำเป็นสำหรับอิเล็กตรอนเพื่อหนีออกจาก วัสดุ. วงพลังงานแต่ละสอดคล้องกับหลายต่อเนื่องรัฐควอนตัมของอิเล็กตรอนและส่วนใหญ่ของรัฐที่มีพลังงานต่ำ (ใกล้กับนิวเคลียส) ถูกครอบครองถึงวงดนตรีโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เรียกว่าวงดนตรีจุเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนแตกต่างจากโลหะเนื่องจากแถบเวเลนซ์ในโลหะใด ๆ นั้นเกือบจะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ในขณะที่มีน้อยมาก (เซมิคอนดักเตอร์) หรือแทบไม่มีเลย (ฉนวน) เลยในแถบการนำไฟฟ้า แถบที่อยู่เหนือแถบวาเลนซ์ทันที

ความง่ายของอิเล็กตรอนที่น่าตื่นเต้นในเซมิคอนดักเตอร์ตั้งแต่แถบเวเลนซ์ไปจนถึงแถบการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับช่องว่างของแถบระหว่างแถบ ขนาดของช่องว่างวงพลังงานนี้ทำหน้าที่เป็นเส้นแบ่งพล (ประมาณ 4 eV ) ระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน

ด้วยพันธะโควาเลนต์ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่โดยกระโดดไปยังพันธะที่อยู่ใกล้เคียงหลักการกีดกันของเพาลีต้องว่าอิเล็กตรอนจะยกเข้าสู่สถานะป้องกันพันธะที่สูงขึ้นของพันธบัตรที่ สำหรับสถานะที่แยกจากกัน เช่น ในมิติหนึ่ง ซึ่งอยู่ในสายนาโนสำหรับทุกพลังงานจะมีสถานะที่อิเล็กตรอนไหลไปในทิศทางเดียวและอีกสถานะหนึ่งมีอิเล็กตรอนไหลในอีกทางหนึ่ง สำหรับกระแสสุทธิที่ไหล สถานะสำหรับทิศทางหนึ่งต้องมากกว่าทิศทางอื่น สำหรับสิ่งนี้ที่จะเกิดขึ้น พลังงานเป็นสิ่งจำเป็น เช่นเดียวกับในเซมิคอนดักเตอร์ สถานะที่สูงขึ้นถัดไปจะอยู่เหนือช่องว่างของแถบ นี้มักจะระบุไว้เป็น: วงดนตรีเต็มรูปแบบไม่ได้มีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้าอย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของเซมิคอนดักเตอร์สูงขึ้นศูนย์สัมบูรณ์มีพลังงานมากขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่จะใช้กับการสั่นสะเทือนของตาข่ายและอิเล็กตรอนที่น่าตื่นเต้นในแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่มีกระแสไหลในแถบการนำไฟฟ้าเรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระแม้ว่าจะมักเรียกง่ายๆ ว่าอิเล็กตรอนถ้ามีความชัดเจนในบริบท

ความหนาแน่นกระแสและกฎของโอห์ม

ความหนาแน่นกระแสคืออัตราที่ประจุผ่านพื้นที่หน่วยที่เลือก [22] : 31มันถูกกำหนดให้เป็นเวกเตอร์ที่มีขนาดเป็นกระแสต่อพื้นที่หน้าตัดหน่วย [2] : 749ตามที่กล่าวไว้ในReference directionทิศทางเป็นพลวัต ตามอัตภาพ ถ้าประจุเคลื่อนที่เป็นบวก ความหนาแน่นกระแสจะมีเครื่องหมายเดียวกันกับความเร็วของประจุ สำหรับประจุลบ เครื่องหมายของความหนาแน่นกระแสจะตรงข้ามกับความเร็วของประจุ [2] : 749ในหน่วย SIความหนาแน่นกระแส (สัญลักษณ์: j) แสดงในหน่วยฐาน SI ของแอมแปร์ต่อตารางเมตร [4] :22

ในวัสดุเชิงเส้น เช่น โลหะ และภายใต้ความถี่ต่ำ ความหนาแน่นกระแสไฟบนพื้นผิวตัวนำจะสม่ำเสมอ ในสภาวะดังกล่าวกฎของโอห์มระบุว่ากระแสเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสอง (ในแนวขวาง) ของตัวต้านทานโลหะ (ในอุดมคติ) นั้น(หรืออุปกรณ์โอห์มมิกอื่นๆ):

ที่ไหน คือกระแสที่วัดเป็นแอมแปร์ คือ ความต่างศักย์วัดเป็นโวลต์ ; และเป็นต้านทานวัดโอห์ม สำหรับกระแสสลับโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูงผลกระทบของผิวทำให้กระแสกระจายไปทั่วหน้าตัดของตัวนำอย่างไม่สม่ำเสมอ โดยมีความหนาแน่นสูงขึ้นใกล้กับพื้นผิว ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความต้านทานที่เห็นได้ชัด

ความเร็วดริฟท์

โทรศัพท์มือถืออนุภาคมีประจุภายในย้ายตัวนำอย่างต่อเนื่องในทิศทางที่สุ่มเช่นอนุภาคหนึ่งของก๊าซ (แม่นยำกว่านั้นคือก๊าซ Fermi .) ในการสร้างกระแสประจุสุทธิ อนุภาคต้องเคลื่อนที่ไปพร้อมกับอัตราการลอยตัวเฉลี่ยด้วย อิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุในโลหะส่วนใหญ่และพวกมันเดินตามเส้นทางที่ไม่แน่นอน กระเด้งจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอม แต่โดยทั่วไปแล้วจะลอยไปในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้า ความเร็วที่พวกเขาดริฟท์สามารถคำนวณได้จากสมการ:

ที่ไหน

คือกระแสไฟฟ้า
คือ จำนวนอนุภาคที่มีประจุต่อหน่วยปริมาตร (หรือความหนาแน่นของประจุพาหะ)
คือพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ
คือความเร็วดริฟท์และ
คือประจุในแต่ละอนุภาค

โดยปกติประจุไฟฟ้าในของแข็งจะไหลช้า ตัวอย่างเช่น ในลวดทองแดงที่มีหน้าตัด 0.5 มม. 2 ที่มีกระแสไฟฟ้า 5 A ความเร็วของอิเล็กตรอนจะอยู่ที่หน่วยมิลลิเมตรต่อวินาที เพื่อที่จะใช้ตัวอย่างที่แตกต่างกันในใกล้สูญญากาศภายในหลอดรังสีแคโทดอิเล็กตรอนเดินทางในสายใกล้ตรงที่เกี่ยวกับหนึ่งในสิบของที่ความเร็วของแสง

ประจุไฟฟ้าที่เร่งขึ้นใดๆ และด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงใดๆ ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายด้วยความเร็วสูงมากนอกพื้นผิวของตัวนำ ความเร็วนี้มักจะเป็นส่วนสำคัญของความเร็วแสง ซึ่งสามารถอนุมานได้จากสมการของแมกซ์เวลล์และดังนั้นจึงเร็วกว่าความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนหลายเท่า ตัวอย่างเช่น ในสายไฟฟ้ากระแสสลับคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายผ่านช่องว่างระหว่างสายไฟ โดยเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดไปยังโหลดที่อยู่ห่างไกลแม้ว่าอิเล็กตรอนในสายไฟจะเคลื่อนที่ไปมาในระยะทางเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

อัตราส่วนของความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่อความเร็วของแสงในที่ว่างเรียกว่าปัจจัยความเร็วและขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวนำและวัสดุฉนวนโดยรอบ และรูปร่างและขนาด

ขนาด (ไม่ใช่ธรรมชาติ) ของความเร็วทั้งสามนี้สามารถอธิบายได้ด้วยการเปรียบเทียบกับความเร็วที่คล้ายกันสามความเร็วที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ (ดู การเปรียบเทียบแบบไฮดรอลิก )

  • ความเร็วดริฟท์ต่ำของตัวพาประจุนั้นคล้ายคลึงกับการเคลื่อนที่ของอากาศ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือลม
  • ความเร็วสูงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นใกล้เคียงกับความเร็วของเสียงในก๊าซ (คลื่นเสียงเคลื่อนที่ในอากาศเร็วกว่าการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ เช่น การพาความร้อนมาก )
  • การเคลื่อนที่แบบสุ่มของประจุจะคล้ายคลึงกับความร้อน ซึ่งเป็นความเร็วความร้อนของอนุภาคก๊าซที่มีการสั่นแบบสุ่ม

ดูสิ่งนี้ด้วย

หมายเหตุ

  1. ^ ลูกศรเป็นส่วนพื้นฐานของคำจำกัดความของกระแส [10]
  2. ^ ขั้นตอนแรกของเราในการวิเคราะห์คือการสันนิษฐานของทิศทางอ้างอิงสำหรับกระแสที่ไม่รู้จัก [10]

อ้างอิง

  1. ^ โฮ โรวิตซ์, พอล ; ฮิลล์, วินฟิลด์ (2015). ศิลปะอิเล็กทรอนิกส์ (ฉบับที่ 3) สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 978-0-521-80926-9.
  2. อรรถเป็น c d วอล์คเกอร์ เจอร์ล; ฮัลลิเดย์ เดวิด; เรสนิค, โรเบิร์ต (2014). พื้นฐานของฟิสิกส์ (ฉบับที่ 10) โฮโบเกน รัฐนิวเจอร์ซี: ไวลีย์ ISBN 978-1118230732. OCLC  950235056
  3. แอนโธนี่ ซี. ฟิสเชอร์-คริปส์ (2004). สหายอิเล็กทรอนิกส์ ซีอาร์ซี เพรส. NS. 13. ISBN 978-0-7503-1012-3.
  4. ^ ระหว่างประเทศสำนักชั่งตวงวัด (2019/05/20) SI โบรชัวร์: ระบบระหว่างประเทศของหน่วย (SI) (PDF) (9 Ed.), ISBN  978-92-822-2272-0
  5. ^ TL Lowe, John Rounce,การคำนวณสำหรับ A-level Physics , p. 2, เนลสัน ธอร์นส์, 2002 ISBN 0-7487-6748-7 . 
  6. Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measuring , หน้า. 37, เมอร์ริลผับ บจก., 2531 ISBN 0-675-20449-6 . 
  7. ^ KS Suresh Kumar, Electric Circuit Analysis , Pearson Education India, 2013, ISBN 9332514100 , ส่วน 1.2.3 "'ความเข้มในปัจจุบัน' มักจะเรียกว่า 'กระแส' เอง" 
  8. ^ นแอมป์ Recueil d'สังเกต ELECTRO-dynamiquesพี 56, ปารีส: Chez Crochard Libraire 1822 (ภาษาฝรั่งเศส)
  9. ^ พลังงานไฟฟ้า , ฉบับที่. 6 หน้า 411, 1894.
  10. อรรถเป็น เฮย์ต วิลเลียม (1989) วิศวกรรมแม่เหล็กไฟฟ้า (ฉบับที่ 5) แมคกรอว์-ฮิลล์. ISBN 0070274061.
  11. ^ คอนโซลิเวอร์ เอิร์ล แอล.; มิทเชลล์, โกรเวอร์ ไอ. (2463). ระบบจุดระเบิดรถยนต์ . แมคกรอว์-ฮิลล์. NS. 4 . กฎของโอห์ม ความต้านทานแรงดันตามสัดส่วนปัจจุบัน
  12. โรเบิร์ต เอ. มิลลิแกนและอีเอส บิชอป (1917) องค์ประกอบของไฟฟ้า . สมาคมเทคนิคอเมริกัน NS. 54 . กฎของโอห์มในปัจจุบันเป็นสัดส่วนโดยตรง
  13. ^ โอลิเวอร์ เฮวิไซด์ (1894) กระดาษไฟฟ้า . 1 . แมคมิลแลน แอนด์ โค พี. 283. ISBN 978-0-8218-2840-3.
  14. ^ แอนดรูว์ เจ. โรบินสัน; ลินน์ สไนเดอร์-แมคเลอร์ (2007) Electrophysiology ทางคลินิก: การทดสอบด้วยไฟฟ้าและ Electrophysiologic (ฉบับที่ 3) ลิปพินคอตต์ วิลเลียมส์ แอนด์ วิลกินส์. NS. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3.
  15. ^ เซ็นเซอร์กระแสคืออะไรและใช้งานอย่างไร? . โฟกัส.ti.com สืบค้นเมื่อ 2011-12-22.
  16. ^ Andreas พีฟรีดริชเฮลอาสากลเซนเซอร์จับกระแส Sensorsmag.com (2000-05-01). สืบค้นเมื่อ 2011-12-22.
  17. อรรถเป็น ข เจ ฟเฟ่ โรเบิร์ต แอล.; เทย์เลอร์, วอชิงตัน (2018). ฟิสิกส์ของพลังงาน สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
  18. อรรถเป็น c เซอร์เวย์ เรย์มอนด์ก.; จิวเวตต์, จอห์น ดับเบิลยู. (2004). ฟิสิกส์สำหรับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร (ฉบับที่ 6) ทอมสัน บรู๊คส์/โคล ISBN 0-534-40842-7.
  19. "กลไกการนำไฟฟ้าในโลหะ" ที่ เก็บถาวรไว้เมื่อ พ.ศ. 2555-10-25 ที่ Wayback Machine , Think Quest
  20. ^ Rudolf Holze, Experimental Electrochemistry: A Laboratory Textbook , หน้า 44, John Wiley & Sons, 2009 ISBN 3527310983 . 
  21. ^ "Lab หมายเหตุ # 106 ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมของ Arc ปราบปราม " เทคโนโลยีปราบปรามอาร์ค เมษายน 2011 . สืบค้นเมื่อ15 มีนาคม 2555 .
  22. ^ ซังวิลล์, แอนดรูว์ (2013). โมเดิร์นไฟฟ้ากระแส สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-89697-9.