Kapitola 4
Vedení proudu

Na záporný elektrický náboj v elektrickém poli o intenzitě E působí síla F proti směru intenzity a platí pro ni F = q E. Tentýž elektrický náboj se bude pohybovat se zrychlením a = [q E/ m]. Rychlost náboje v tedy bude v = a t. Průměrný čas mezi jednotlivými srážkami záporného elektrického náboje (elektronu) s atomy mřížky si označíme τ_stred. Střední rychlost nosičů náboje se vypočítá

vstred = a τstred = q E m  τstred = ( q m  τstred )  E = μ  E,

kde μ je pohyblivost nosičů.

Mějme vodič délky l a průřezu S. Za dobu dt projde plochou S náboj dQ = q n S v_stred dt = q n S μ  E dt. Odtud I = ^dQ/_dt = q n S μ  E = Uq n μ  ^S/_l. Práce, kterou vykoná elektrické pole při přemísťování nábojů ve vodiči dA = dQ φ ₁ − dQ φ ₂ = U dQ. Výkon dodávaný elektrickým polem P = ^dA/_dt = U I.

Schéma předávání energie: energie elektrického pole → kinetická energie nosičů → tepelná energie mříže.

4.1  Vedení proudu v kovech

Obecný vztah pro proud ve vodiči

I = U S l  n q μ = U S l  σ = U S l   1 ρ ,

kde σ je měrná vodivost a ρ měrný odpor. Kovová vazba – jeden elektron od každého atomu mřížky je pohyblivý od jednoho atomu ke druhému pod vlivem vnějších sil. Tedy pohyblivé nosiče jsou elektrony (| q | = e = 1,6·10^-19 C) a jejich hustota se rovná hustotě atomů a je tedy konstantní n = konst. Proto i měrná vodivost σ = n q μ = konst. Pro napětí U tedy platí

U = I l S   1 σ = I R,

kde R je elektrický odpor a platí pro něj

R = l S   1 n q μ .

4.2  Vedení proudu v elektrolytech

   Elektrolyty   jsou kapalné nebo tuhé roztoky polárních látek obsahující ionty kladné (kationty) nebo záporné (anionty). Protože jsou zastoupeny dva druhy nosičů náboje, vztah pro výpočet proudu bude mít dva členy

I = nk qk S vk + na qa S va = Ui S l  nk qk (μ k+μ a).

Ve vztahu součin n_k q_k s teplotou roste, ale při konstantní teplotě je stálý. Součet μ _k+μ _a s teplotou klesá, ale při konstantní teplotě je stálý. Tedy uvnitř elektrolytu platí Ohmův zákon.

Na elektrodách se vylučují kationty a anionty → dochází k chemickým reakcím a vytvářejí se napěťové vrstvy → mění se podmínky vedení proudu => ve vnějším obvodě neplatí Ohmův zákon.

Využití

Galvanické pokovování, rozklad látek elektrickým proudem (elektrolýza), galvanické články - primární a sekundární (akumulátory).

4.3  Vedení proudu v plynech

Za normálních podmínek je v plynu přítomno velmi malé množství iontů a volných elektronů. Proto je za normálních podmínek a při nízké intenzitě pole vodivost plynů σ = n q μ velmi malá. Střední volná dráha l_st elektronů i iontů je však v plynech, díky jejich malé hustotě, mnohem větší než v kovech nebo polovodičích. Pro energii W, kterou elektron získá na volné dráze l_st během svého urychlování platí W = e (φ ₂-φ ₁) = e E l_st. Při poměrně malé intenzitě pole E, může dosáhnou energie W takové hodnoty, že při srážce s molekulou plynu uvolní další elektron a zbude kladný iont (nárazová ionizace) - oba se pak účastní dalšího vedení proudu i další ionizace => proud lavinově vzrůstá - vznikne výboj v plynu .

4.3.1  Druhy výbojů v plynech

Tichý výboj

K nárazové ionizaci dochází v celém průřezu plynového sloupce. V důsledku kladného náboje pomalu se pohybujících kladných iontů se však vyšší intenzita pole, potřebná pro ionizaci udržuje pouze u katody. To se projevuje světélkováním (plápoláním) okolo katody - korona , Eliášův oheň , doutnavky (při sníženém tlaku).

Jiskrový výboj

Ionizace nenastává v celé šíři mezi elektrodami, ale vznikne pouze velmi úzká ionizovaná cesta, která se silně zahřívá. Je klikatá a nestabilní. Výboj je doprovázen praskotem (jiskření motoru, ve spínačích, blesk).

Obloukový výboj

Ionty a elektrony, dopadající na elektrody, rozžhaví elektrody tak, že ty samy začínají emitovat ionty, které se pak účastní přenosu proudu plynem. Dochází k význačnému úbytku materiálu elektrod. S rostoucím proudem se zvyšuje teplota a tím i počet emitovaných iontů => s rostoucím proudem klesá napětí. Obloukového výboje se využívá při obloukovém sváření, v obloukových pecích a jako intenzivního zdroje světla. Nežádoucí efekty jsou opalování a svařování kontaktů spínacích zařízení.