ρεύμα ηλεκτρικό

Η τακτική κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, τόσο στα υλικά μέσα όσο και στο κενό, η οποία παράγεται όταν μεταξύ δύο σημείων του υλικού μέσου ή του χώρου μέσα στον οποίο εμφανίζεται το φαινόμενο, έχει εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα φορτία που συνιστούν γενικά το ηλεκτρικό ρεύμα, μπορεί να είναι ηλεκτρόνια ή ιόντα, δηλαδή άτομα* και μόρια* που έχουν χάσει (θετικά ιόντα) ή έχουν προσλάβει (αρνητικά ιόντα) ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Ο χώρος μέσα στον οποίο παράγεται η κίνηση των φορτίων καλείται ηλεκτρικό κύκλωμα* και αποτελείται από όλες τις τροχιές (γραμμές ρεύματος) των απλών φορτίων. Το φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ένταση, που ορίζεται με την ποσότητα του διερχόμενου φορτίου στη μονάδα του χρόνου μέσω μιας τομής του ηλεκτρικού κυκλώματος (ως τομή ενός κυκλώματος εννοείται κάθε επιφάνεια κάθετη προς τις γραμμές του ρεύματος). Στον τύπο I = - q / t (όπου I η ένταση του ρεύματος και q η ποσότητα του φορτίου που διέρχεται μέσω της τομής του κυκλώματος σε αμπέρ. Ως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος σημειώνεται συμβατικά η φορά της κίνησης των θετικών φορτίων, δηλαδή η κατεύθυνση από τα σημεία με μεγαλύτερο δυναμικό προς εκείνα με μικρότερο. Η πραγματική όμως φορά του ηλεκτρικού ρεύματος στους μεταλλικούς αγωγούς, όταν τούτο συνίσταται μόνο από αρνητικά φορτία, δηλαδή από ηλεκτρόνια, είναι αντίθετη προς τη φορά των φορτίων. Η συμβατική αυτή φορά, που θεσπίστηκε πριν από τη διατύπωση της ηλεκτρονικής θεωρίας, ισχύει ακόμα και σήμερα, γιατί πολλοί κανόνες, σχετικοί με διάφορα φαινόμενα του ηλεκτρικού ρεύματος (μαγνητικά κλπ.), έχουν θεμελιωθεί με βάση την κλασική φορά. Η παραδοχή αυτή δεν οδηγεί, άλλωστε, σε εσφαλμένα συμπεράσματα, εφόσον κατά τον υπολογισμό, π.χ., της αριθμητικής τιμής της έντασης του ρεύματος λαμβάνεται υπόψη μόνο ο αριθμός των φορτίων που διέρχονται ανά μονάδα χρόνου μέσω ενός αγωγού. Στο ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να συμβάλλουν ταυτόχρονα τόσο θετικά όσο και αρνητικά φορτία· τα τελευταία κινούμενα, βεβαίως, κατ’ αντίθετη φορά. Στην περίπτωση αυτή η τιμή της έντασης του ρεύματος δίδεται από το άθροισμα των τιμών των δύο εντάσεων, λαμβανόμενων χωριστά, και η φορά είναι εκείνη σύμφωνα με την οποία κινούνται τα θετικά φορτία. Πέρασμα του ηλεκτρικού ρεύματος από την ύλη. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διέλθει μέσω στερεών, υγρών και αερίων· τα υλικά που επιτρέπουν τη διέλευσή του καλούνται αγωγοί (*αγωγιμότητα ηλεκτρική), ενώ εκείνα που δεν την επιτρέπουν, μονωτικά. Ενδιάμεση κατηγορία υλικών αποτελούν οι ημιαγωγοί. Αγωγοί, π.χ., είναι όλα τα μεταλλικά σώματα· σ’ αυτά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων, από τα οποία αποτελούνται τα σώματα αυτά, είναι ελεύθερα και μπορούν να κυκλοφορούν σε ολόκληρο το σώμα και, αν μεταξύ δύο σημείων ενός από αυτά τα σώματα εφαρμοστεί μια ηλεκτρική τάση, ακόμα και οσοδήποτε μικρή, θα παραχθεί οπωσδήποτε ένα ηλεκτρικό ρεύμα, ακόμα και μεγαλύτερης έντασης. Η σχέση μεταξύ της εφαρμοζόμενης τάσης U και της παραγόμενης έντασης του ρεύματος I, δίδεται, όπως βρίσκεται πειραματικά, από μια σχέση αναλογίας U = RI (νόμος του Ωμ*), στην οποία η σταθερά R ονομάζεται αντίσταση*. Πειράματα με κυλινδρικούς αγωγούς του ίδιου υλικού, αλλά με διάφορα μήκη και διατομές, δείχνουν ότι η αντίσταση που παρουσιάζει το υλικό είναι ανάλογη με το μήκος 1 του αγωγού και αντιστρόφως ανάλογη προς τη διατομή του S. Έχουμε, έτσι, τον τύπο R = ρ 1\S, στον οποίο το ρ είναι ένας συντελεστής, που λέγεται ειδική αντίσταση, και εξαρτάται από το υλικό κατασκευής του αγωγού και από τη θερμοκρασία του. Γενικά διαπιστώνεται ότι, εντός εκτεταμένων ορίων θερμοκρασίας, η ειδική αντίσταση είναι ανάλογη, κατά πρώτη προσέγγιση, προς την απόλυτη θερμοκρασία. Η επεξήγηση της συμπεριφοράς αυτής γίνεται νοητή αν ληφθεί υπόψη ότι, στους αγωγούς, τα ηλεκτρόνια που συνεισφέρουν στο ηλεκτρικό ρεύμα (ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) κινούνται, όταν δεν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο, κατά τρόπο άτακτο, εξαιτίας της θερμικής διαταραχής. Αν αυξηθεί η θερμοκρασία, αυξάνεται η ενέργεια της θερμικής διαταραχής και, για να επιτευχθεί η τακτική κίνηση των ηλεκτρονίων για ένα ρεύμα δεδομένης έντασης, είναι αναγκαίο να εφαρμοστεί μια ηλεκτρική τάση τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία. Μερικά μέταλλα, που λέγονται υπεραγωγοί (*υπεραγωγιμότητα), παρουσιάζουν μια ανώμαλη συμπεριφορά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες: σε μερικούς βαθμούς κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273°C) η ειδική αντίστασή τους πέφτει απότομα στο μηδέν, διευκολύνοντας πάρα πολύ τη διέλευση του ρεύματος. Καλοί αγωγοί του ρεύματος είναι επίσης τα υγρά στα οποία έχουν διαλυθεί ηλεκτρολύτες, δηλαδή ουσίες (οξέα, βάσεις ή άλατα) οι οποίες, κατά τη διάλυσή τους, διασπώνται σε θετικά και αρνητικά ιόντα (*ηλεκτρόλυση). Αν σε αυτά τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα βυθίσουμε δύο μεταλλικά πλακίδια (ηλεκτρόδια) και τα συνδέσουμε με μια ηλεκτρική πηγή συνεχούς ρεύματος, μέσα στο διάλυμα θα σχηματιστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που θα προκαλέσει τη μετακίνηση των αρνητικών και των θετικών ιόντων προς τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια αντίστοιχα. Έχουμε έτσι ένα ηλεκτρικό ρεύμα (ιοντικό ρεύμα) με διεύθυνση από το θετικό προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Και στα ηλεκτρολυτικά διαλύματα η ένταση του ρεύματος είναι ανάλογη προς την εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση. Οι μεταλλικοί αγωγοί και τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα, για τα οποία ισχύει ο νόμος του Ωμ, λέγονται ωμικοί αγωγοί. Το ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια, στις περιπτώσεις που αυτά συμπεριφέρονται ως αγωγοί, δεν υπακούει, αντίθετα, στον νόμο του Ωμ. Τα αέρια, επειδή αποτελούνται από άτομα και μόρια ουδέτερα και δεν συνδέονται μεταξύ τους, θεωρούνται τέλειοι μονωτές· παρ’ όλα αυτά, εξαιτίας εξωτερικών παραγόντων, όπως είναι οι υπεριώδεις ακτίνες, η κοσμική ακτινοβολία και η γήινη φυσική ραδιενέργεια, παράγονται συνεχώς σ’ αυτά θετικά και αρνητικά ιόντα (*ιονισμός) με αποτέλεσμα να εμφανίζουν τα αέρια μια πάρα πολύ μικρή αγωγιμότητα. Αν ένα ιονισμένο αέριο τεθεί, με δύο ηλεκτρόδια, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα θα τεθούν σε κίνηση προς τα ηλεκτρόδια και θα παραχθεί έτσι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του αερίου. Αν αυξηθεί η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, θα αυξηθεί και ο αριθμός των φορτίων που φτάνουν στα ηλεκτρόδια από μονάδα χρόνου (δηλαδή θα αυξηθεί η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από το αέριο). Όταν όμως ο αριθμός αυτός εξισωθεί με εκείνο των παραγόμενων φορτίων στη μονάδα του χρόνου εξαιτίας του φυσικού ιονισμού, το ρεύμα μεταξύ των ηλεκτροδίων δεν μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω όσο και αν αυξηθεί η διαφορά δυναμικού μεταξύ αυτών. Το δυναμικό, πέραν του οποίου η ένταση του ρεύματος διατηρείται σταθερή, ονομάζεται δυναμικό κόρου Uκόρ., και το ρεύμα αυτό, ρεύμα κόρου Ικόρ. Αυξάνοντας πέραν ενός ορισμένου σημείου την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, η κινητική ενέργεια των ιόντων αυξάνει και αποκτούν μια ταχύτητα τέτοια, ώστε να ιονίζουν εξαιτίας κρούσης τα ουδέτερα άτομα και μόρια· αυτά, επιταχυνόμενα με τη σειρά τους, παράγουν άλλα ιόντα προκαλώντας μια αλυσωτή διαδικασία που έχει ως αποτέλεσμα την απότομη αύξηση της έντασης του ρεύματος και την παραγωγή συνήθως ενός σπινθήρα*. Το δυναμικό που παράγει το φαινόμενο αυτό λέγεται δυναμικό ή τάση αφής. Ιδιαίτερη σημασία για τις πρακτικές εφαρμογές έχει η διέλευση του ρεύματος στους ημιαγωγούς, υλικά στα οποία η αντίσταση είναι ενδιάμεση μεταξύ εκείνης των αγωγών και εκείνης των μονωτών και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, αντίθετα από ό,τι συμβαίνει στους μεταλλικούς αγωγούς. Η κβαντική φυσική παρέχει μια εξαντλητική ερμηνεία των διαφορών μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών. Τα ηλεκτρόνια των στερεών υλικών, τα οποία έχουν, εκτός από λίγες εξαιρέσεις, κρυσταλλική δομή (*κρυσταλλογραφία), διαιρούνται σε δύο ομάδες: τα εσώτερα, που παραμένουν πάντοτε στενά συνδεμένα με τον πυρήνα του ατόμου στο οποίο ανήκουν, και τα εξώτερα, που αποσπώνται εύκολα από το άτομό τους με συμμετοχή και άλλων ατόμων, σχηματίζουν δεσμούς (ομοιοπολικοί δεσμοί), οι οποίοι κρατούν ενωμένα τα άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Κάθε ηλεκτρόνιο του κρυσταλλικού σώματος βρίσκεται σε μια καθορισμένη ενεργειακή στάθμη (δηλαδή διαθέτει μια ορισμένη ενέργεια) που τη μοιράζεται, το πολύ, σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Πάουλι*, με ένα άλλο ηλεκτρόνιο. Το σύνολο των γειτονικών ενεργειακών σταθμών αποτελεί μια ζώνη ενέργειας. Στους μεταλλικούς αγωγούς η υψηλότερη ζώνη ενέργειας καταλαμβάνεται μερικώς μόνο· τα ηλεκτρόνια που την καταλαμβάνουν μπορούν εύκολα να περάσουν σε ανώτερες στάθμες και να κυκλοφορήσουν πρακτικά ελεύθερα σε όλη την έκταση του κρυσταλλικού σώματος· αυτά είναι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, που, με την παρουσία ηλεκτρικών πεδίων, προκαλούν τα ηλεκτρικά ρεύματα. Αντίθετα, στην περίπτωση ημιαγωγών και μονωτών, η υψηλότερη ζώνη ενέργειας, που ονομάζεται ζώνη σθένους, είναι τελείως κατειλημμένη από ηλεκτρόνια. Η αμέσως ανώτερη ζώνη (που ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας) είναι, στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή όταν δεν υπάρχει ενέργεια από θερμική διαταραχή, τελείως κενή αυτή διαχωρίζεται από τη ζώνη σθένους με μια περιοχή τιμών ενέργειας τις οποίες κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να έχει (απαγορευμένη ζώνη ενέργειας). Η διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και μονωτών οφείλεται στο διάστημα αυτής της περιοχής: στους μονωτές το διάστημα αυτό είναι ευρύ και δεν μπορεί να υπερπηδηθεί από τα ηλεκτρόνια ούτε ακόμα με την παρουσία ηλεκτρικών πεδίων. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν, με άλλα λόγια, να σπάσουν τους δεσμούς με τους πυρήνες και να παραγάγουν ηλεκτρικά ρεύματα. Στους ημιαγωγούς, αντίθετα, η απαγορευμένη ζώνη ενέργειας είναι στενή· αν αυξηθεί η θερμοκρασία του ημιαγωγού είναι δυνατόν μερικά ηλεκτρόνια σθένους να περάσουν στην αμέσως επόμενη ζώνη, δηλαδή στη ζώνη αγωγιμότητας, και με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου να παραγάγουν ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Στο ρεύμα συμμετέχουν και οι κενές θέσεις (οπές), που έμειναν από τα ηλεκτρόνια σθένους, οι οποίες ισοδυναμούν με θετικά φορτία. Η οπή ενός ατόμου καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο σθένους ενός γειτονικού ατόμου· η νέα οπή που θα σχηματιστεί θα καταληφθεί από ένα άλλο ηλεκτρόνιο, ενός άλλου γειτονικού ατόμου και ούτω καθ’ εξής. Η μετακίνηση αυτή των ηλεκτρονίων ισοδυναμεί με μετακίνηση των οπών κατ’ αντίθετη διεύθυνση από εκείνη των ηλεκτρονίων. Οι φορείς φορτίων, ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας ή οπές, που σε ένα δεδομένο υλικό συμβάλλουν κυρίως στο ηλεκτρικό ρεύμα, λέγονται φορείς πλειονότητας (majority carriers). Av οι φορείς της πλειονότητας είναι τα ηλεκτρόνια, το υλικό λέγεται τύπου Ν (negative = αρνητικός), αν είναι οι οπές, λέγεται τύπου Ρ (positive = θετικός). Τύποι ηλεκτρικού ρεύματος.- Γενικά, η ένταση του ρεύματος μπορεί να παραμένει σταθερή (συνεχές ρεύμα) ή να μεταβάλλεται χρονικά (μεταβλητά ρεύματα). Τα συνεχή ρεύματα ρέουν πάντα προς μία διεύθυνση, ενώ τα μεταβλητά ρεύματα μπορεί να παρουσιάζουν και αναστροφή της διεύθυνσης. Μια σημαντική κατηγορία των τελευταίων αυτών ρευμάτων αποτελούν τα εναλλασσόμενα ρεύματα, στα οποία η ένταση και η διεύθυνση μεταβάλλεται χρονικά με περιοδικό νόμο και η μέση τιμή της έντασης τους σε μια πλήρη περίοδο* είναι ίση με μηδέν. Η ένταση I των κοινών εναλλασσόμενων ρευμάτων μεταβάλλεται μετά του χρόνου, t, σύμφωνα με τη μεταβολή του ημιτόνου: I = Ι₀ημ(2πft) στη σχέση αυτή το I εκφράζει τη στιγμιαία τιμή της έντασης το Ι₀ τη μέγιστη τιμή (μέγιστο πλάτος) που μπορεί να λάβει η ένταση του ρεύματος, και το f τη συχνότητα του ρεύματος, δηλαδή τον αριθμό των περιόδων που αντιστοιχούν σ' ένα δευτερόλεπτο. Η διαφορά δυναμικού U που παράγει αυτά τα ρεύματα μεταβάλλεται επίσης με τον ίδιο νόμο: U = U₀ημ (2πft - φ), όπου U και U0 η στιγμιαία και η μέγιστη τιμή της διαφοράς δυναμικού αντίστοιχα και φ η γωνία φάσης (διαφορά φάσης) μεταξύ έντασης ρεύματος και τάσης, που εμφανίζεται στις περιπτώσεις εκείνες όταν, το κύκλωμα που διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα δεν παρουσίαζα καθαρά ωμική αντίσταση, δηλαδή όταν δεν συμπίπτουν χρονικά οι μέγιστες και οι ελάχιστες τιμές των δύο αυτών μεγεθών. Η μέση ηλεκτρική ισχύς* Ν, που απορροφά ένα κύκλωμα διαρρεόμενο από εναλλασσόμενο ρεύμα, εξαρτάται από τη γωνία φάσης και δίνεται από τον τύπο του Γκαλιλέο Φεράρις: Ο παράγοντας συνφ. καλείται συντελεστής ισχύος και παίρνει τιμές από 0 έως + 1. Η σχέση που συνδέει το U₀ με το I₀ είναι ανάλογη με τον νόμο του Ωμ: U₀ = ΖΙ₀, όπου Ζ καλείται σύνθετη αντίσταση* και εξαρτάται τόσο από τα χαρακτηριστικά του θεωρούμενου κυκλώματος, όσο και από τη συχνότητα f του ρεύματος που το διαρρέει. Ένας άλλος τύπος μεταβλητών ρευμάτων, που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, αφορά τα παλμικά ρεύματα μιας κατεύθυνσης, περιοδικά, αλλά όχι εναλλασσόμενα. Τα παλμορεύματα αυτά μπορούν να επιτευχθούν από τα τελευταία με ιδιαίτερες διατάξεις (*ανορθωτής), που επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος κατά τη μία ημιπερίοδο με ορισμένη διεύθυνση, καταργώντας (ρεύμα ημικύματος) ή κατευθύνοντας κατά την αντίθετη διεύθυνση και την άλλη ημιπερίοδο (ρεύμα ολόκληρου κύματος). Το ηλεκτρικό ρεύμα (πάνω) έχει συμβατική φορά από το θετικό πόλο προς τον αρνητικό· η πραγματική όμως κίνηση των ηλεκτρονίων έχει αντίθετη διεύθυνση. Στη μέση και κάτω, γραφικές παραστάσεις της μεταβολής της έντασης (τεταγμένη) σε συνάρτηση με το χρόνο (τεταγμένη) για μερικούς τύπους ηλεκτρικού ρεύματος.