Električni tok

V gradivu Gibanje delcev v električnem polju so se električno nabiti delci, katerih izvir je bil v električnem polju, gibali zaradi električne sile, ki je delovala na njih. V mislih smo predpostavili, da je prostor, v katerem se ti delci gibljejo, prazen prostor - vakuum. Električna sila je vplivala na delce tako, da jim je spremenila hitrost ali smer gibanja. Razmik med delci, ki so se pospeševali v električnem polju je bil dovolj velik, da se med sabo pri gibanju niso ovirali. Delci so zato lahko dosegali zelo velike hitrosti, vse do nekaj manj kot svetlobne hitrosti.

Gibljivi, električno nabiti delci pa so lahko prisotni tudi v sami snovi. Taki snovi pravimo, da je električni prevodnik. To je lahko plin, kapljevina ali trdna snov. Pod vplivom električnega polja v snovi se ti delci gibljejo.

Vsakemu gibanju električno nabitih delcev, naj bo v brezzračnem prostoru ali v snovi, pravimo električni tok.

V čem pa se razlikuje gibanje električno nabitih delcev v brezzračnem prostoru ali v snovi? Vzemimo bakreno žico, skozi katero teče električni tok. Tok v žici je gibanje prostih elektronov, prisotnih v bakru, pod vplivom sile, ki jo povzroči električno polje. Število prostih elektronov v bakru je veliko. Njihova hitrost pa je zaradi velikega števila elektronov zelo majhna v primerjavi s primerljivo velikim tokov v vakuumu. Kljub temu, da so elektroni v snovi počasnejši, pa se električno polje znotraj vodnika vzpostavi v hipu. Zato se pričnejo gibati vsi elektroni v vodniku istočasno.

V tem gradivu bomo se bomo naučili:

Električni tok je gibanje električno nabitih delcev v trdnih snoveh (kovinah, polprevodnikih), kapljevinah ali plinih.

V snovi teče električni tok, če so izpolnjeni naslednji pogoji:

V gradivu Električni naboj smo videli, da je vsak električni naboj N-kratnik osnovnega naboja :

kjer je osnovni naboj:

Osnovni naboj je lahko negativen (elektron) ali pozitiven (proton).

Enoto za naboj C (coulomb - izg. kulon) smo imenovali tudi As (amper sekunda).

Električni tok je določen s količino naboja, ki se pretoči skozi prevodno snov v določenem času:

Ko v zgornjo enačbo vstavimo enote, dobimo enoto za električni tok:

Enota za tok je torej 1 A. V žici teče tok 1 A, če po njej steče vsako sekundo naboj 1 C.

Če se električni tok ne spreminja s časom, lahko enačbo poenostavimo:

Takemu toku pravimo enosmerni tok.

Smer toka je po dogovoru enaka smeri gibanja pozitivno nabitega delca v električnem polju ali pa nasprotna smeri gibanja negativno nabitega delca.

Preprost električni krog je sklenjen krog, skozi katerega teče električni tok. Sestavlja ga:

Tok v električnem krogu je krožno gibanje električno nabitih delcev od izvira napetosti proti porabniku in nazaj k izviru. Predstavljajmo si baterijo kot izvir napetosti. Na negativnem polu baterije je višek elektronov, na pozivnem pa jih primanjkuje. Ko sklenemo električni krog, steče višek elektronov po vodniku in preko porabnika iz negativnega pola baterije proti pozivnemu polu. Smer gibanja elektronov je torej takšna, da teži k izravnavi naboja na obeh polih izvira. Ko se naboji izravnajo, pravimo, da je baterija prazna.

Skozi vse elemente preprostega električnega kroga teče v isto smer enak tok. Po dogovoru teče tok skozi električni krog od pozitivne sponke izvira napetosti proti negativni sponki. Znotraj izvira pa v obratni smeri, torej od negativne sponke k pozitivni. Smer gibanja elektronov v vezju je obratna smeri toka, saj se gibljejo elektroni od minusa proti plusu.

Vzrok za električni tok je napetost vira, zato ji pravimo tudi gonilna napetost. Gonilna napetost namreč znotraj kroga ustvarja električno polje in s tem sile na električno gibljive delce. To povzroči njihovo gibanje in s tem električni tok.

Gonilna napetost se znotraj kroga porazdeli med elemente kroga. Govorimo o padcih napetosti na elementih kroga.

Napetostni vir ustvarja električno napetost. Ta poganja električni tok, zato ji pravimo tudi gonilna napetost.

Kako dobimo električno napetost? Snov, ki je na zunaj nevtralna, vsebuje enako število pozitivnih in negativnih elementarnih nabojev. Skupni naboj znotraj molekule ali atoma je nič. Ker je naboj nič, tudi ni zunanjega električnega polja.

Pozitivni in negativni naboji znotraj snovi se privlačijo. Če hočemo dobiti vir napetosti, jih moramo razmakniti, npr. za d. Na njih moramo delovati s silo F na poti d in pri tem opraviti delo A:

S tem, ko smo s pomočjo dela ločili pozitivni in negativni naboj, smo dobili izvir napetosti. Delo, ki ga pri tem opravimo je lahko:

Električni porabnik je naprava, ki troši električno delo. To so lahko električni gospodinjski aparati, električni mehanski stroji ali pa električni elementi: električni uporniki.

V primeru preprostega električnega kroga je gonilna napetost vira približno enaka padcu napetosti na porabniku. Napetosti na porabniku je enaka električnemu delu na enoto pretočenega naboja:

Skozi porabnik teče električni tok. Elektroni se v uporabniku pretakajo iz višjega energijskega nivoja v nižjega in pri tem opravljajo delo.

Na porabniku se električno delo pretvarja v:

Med virom napetosti in porabnikom so večje ali manjše razdalje, ki jih premoščamo z električnimi vodniki. To so lahko visokonapetostni daljnovodi, podzemni ali nadzemni kabli, hišne napeljave ali samo kabli, ki povezujejo vtičnico v stanovanju z električnim porabnikom. Na električnih vodnikih si želimo, da bi bil padec napetosti čim manjši. Padec napetosti na električnih vodnikih je enak električnemu delu na enoto pretočenega naboja skozi vodnik. To delo se vedno pretvarja v notranjo energijo. Vodnik se segreva, kar predstavlja energijsko izgubo.

Kaj je gonilna napetost vira in kaj so padci napetosti na elementih kroga ponazarja naslednji primer.

Nosilci električnega toka v kovinah so elektroni na zunanji, valenčni obli atomov kovine. Ti elektroni niso vezani na atomsko jedro, pač pa se lahko prosto gibljejo med atomi v strukturi kovine. Gibljejo se znotraj istega energijskega nivoja elektronskih lupin - valenčnega ali prevodnega pasu, torej stran od atomskih jeder. Pravimo, da se valenčni in prevodni pas pri večini kovin prekrivata. Vse kovine imajo skupno lastnost, da prevajajo električni tok.

Pod vplivom električnega polje se elektroni gibljejo proti silnicam električnega polja. To je nasprotna smer od dogovorjene smeri električnega toka.

Skozi določen presek žice S gre v času N elementarnih nabojev. Električni tok je zato:

Definirajmo še gostoto električnega toka. Ta nam pove, kolikšen tok teče skozi presek žice S:

Enota je .

Čim manjši je presek žice, večja je gostota električnega toka. Zaradi manjšega razmika med elektroni, bodo med njimi večje odbojne sile. Gibanje elektronov skozi vodnik z majhnim presekom je oteženo. Pravimo, da se mu upor poveča.

Kako pa je gostota električnega toka odvisna od električne poljske jakosti? Povezuje ju enačba:

kjer je specifična prevodnost. Pove nam, kako dobro vodnik prevaja električni tok. Odvisna je od kovine, iz katere je narejen vodnik. Več o tem se bomo naučili v gradivu Električni upor.

Vzemimo električni, npr. bakreni vodnik. Baker ima v jedru 29 protonov in okoli jedra 29 elektronov. Zadnji elektron ni vezan na atomsko jedro in se lahko prosto giblje med atomi bakra. Atom, ki zgubi elektron, postane pozitiven ion.

Če ni električnega polja, se prosti elektroni gibljejo po neurejenih cikcakastih tirih, podobno kot je toplotno gibanje molekul plina ali kapljevine. Gibanje elektronov zaustavljajo trki ob pozitivne ione v kristalni mreži kovine - pravimo jim vrzeli. Delno med sabo trkajo tudi sami elektroni, vendar lahko učinek teh trkov zanemarimo. Po vsakem trku ob kovinski ion se elektron ustavi in nato ponovno giblje v drugi smeri. Kljub toplotnemu gibanju se srednja lega elektronov v vodniku ne spreminja, zato je tok enak nič.

Polna črta na zgornji sliki kaže možni tir toplotnega gibanja elektrona brez prisotnosti električnega polja. Med gibanjem dosega veliko hitrost - okoli . Ko elektron trči ob pozitivni ion, spremeni smer gibanja. Med dvema trkoma naredi povprečno pot 40 nm (preleti razdaljo približno 200 atomov). Povprečni čas med dvema trkoma je .

V trenutku, ko se vzpostavi električno polje, se pričnejo elektroni dodatno gibati v smeri sile, ki deluje na njih, to je proti silnicam električnega polja. Možen tir gibanja je črtkana rdeča črta na zgornji sliki. Komponenta hitrosti gibanja elektronov vzdolž vodnika, ki predstavlja električni tok, je zelo majhna. Izračunali jo bomo v naslednjem podpoglavju.

Postopek izračuna hitrosti elektronov vzdolž vodnika si bomo ogledali na primeru.

Vidimo, da je gibanja nosilcev toka (elektronov) enakomerno in hitrost majhna. Glede na to, da na njih deluje stalna sila bi pričakovali, da se bi v skladu z 2. Newtonovim zakonom gibali enakomerno pospešeno, podobno kot je opisano v gradivu Gibanje delcev v električnem polju. Očitno obstaja še ena nasprotna, zaviralna sila, ki je posledica zaustavljanja elektronov ob trkih s pozitivnimi ioni.