Prąd elektryczny w metalach z mikroskopowego punktu widzenia

Przewodnikami nazywamy materiały o małej odporności elektrycznej właściwej. Termin ten w ścisłym znaczeniu odnosi się tylko do ciał stałych- metali. Najlepsze przewodniki to srebro, złoto i miedź.

Ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego (wielkość odporności elektrycznej właściwej) wszystkie ciała- materiały można podzielić na:
- Dielektryki - (izolatory), w których występuje prąd przesunięcia,
- Przewodniki - w których występuje prąd przewodzenia,
- Półprzewodniki - w których występuje prąd przewodzenia i przesunięcia tego samego rzędu.

Przewodnictwo elektryczne, czyli prąd elektryczny jest to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego. Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.

Prąd elektryczny jest to uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych, więc prąd elektryczny to po prostu ładunki w ciągłym ruchu. Nośnikami prądu elektrycznego mogą być elektrony i jony.

Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na:
- Elektronowe- zachodzi w metalach i półprzewodnikach,
- Jonowe- zachodzi w gazach, cieczach i kryształach jonowych,
- Mieszane- zachodzi w plazmie.

W metalach swobodnie przemieszczają się jedynie elektrony, dlatego prąd elektryczny w metalach nazywany jest ruchem elektronów przewodnictwa. Dla porównania w rozrzedzonych gazach nośnikami ładunku elektrycznego są zarazem elektrony i jony. To właśnie ten rodzaj elektryczności wykorzystujemy na co dzień. Ponieważ prąd jest ruchem ładunków, przesyłany jest za pomocą przewodów, które wykonuje się z metali. Atomy metalów zaś są ze sobą ściśle związane, tworząc przestrzenną sieć krystaliczną. W sieci krystalicznej metalu znajdują się nieruchome jony dodatnie, a także elektrony przewodnictwa, więc prąd elektryczny w metalu polega na unoszeniu się elektronów, nakładaniu się na ich chaotyczne ruchy termiczne.

Atomy, które wiążą się w sieć krystaliczną, nieodwracalnie tracą wolne elektrony, stając się tym samym jonami dodatnimi. Odłączone od atomów elektrony swobodne nazywamy elektronami przewodnictwa, gdyż dzięki nim metal przewodzi prąd elektryczny. Jony metalu stawiają opór przemieszczającym się wśród nich elektronom. Zderzające się z jonami, elektrony tracą energię i w rezultacie przesuwają się wzdłuż przewodu powoli. Wewnątrz wolframowego drucika żarówki zderzenie elektronów z atomami metalu sprawiają, że rozgrzewa się on do wysokiej temperatury i wypromieniowuje energię- część tego promieniowania to światło.

Znając przybliżoną budowę atomu, który składa się z dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego ujemnie naładowanych elektronów. Pod wpływem sił zewnętrznych elektrony z ostatniej powłoki mogą zostać oderwane od atomy stając się elektronami swobodnymi.

Ciała wewnątrz, których może odbywać się ruch elektronów swobodnych są przewodnikami elektrycznymi (metale). Wyniki badań metali wykazały, że jony dodatnie w metalu są ułożone w sposób regularny i umieszczone w tzw. węzłach siatki krystalicznej. Pomiędzy tymi jonami krążą w sposób chaotyczny elektrony swobodne. Elektrony te tworzą tzw. gaz elektronowy. Na skutek odpowiednio wytworzonych sił elektrycznych np. na skutek przyłożonego napięcia, można spowodować że ruch tych elektronów będzie się odbywał w sposób uporządkowany w jednym kierunku. Zjawisko fizyczne polegające na "uporządkowanym" ruchu elektronów przez badany przekrój poprzeczny ciała przewodnika pod wpływem pola elektrycznego nazywamy prądem elektrycznym.

Prąd elektryczny w próżni (na przykładzie lampy elektronowej dwuelektrodowej)
Lampa ma dwie elektrody umieszczone w bańce szklanej w której istnieje próżnia. Jedna elektroda, zwana anodą A, jest dołączona do bieguna dodatniego ogniwa, a druga elektroda zwana katodą K jest dołączona do bieguna ujemnego ogniwa. Różnica potencjałów występująca między elektrodami wywołuje w próżni pole elektryczne. Prąd elektryczny nie może powstać, gdy w próżni nie występują elektrony swobodne. Do przestrzeni międzyelektrodowej należy doprowadzić cząsteczki obdarzone ładunkiem i można to osiągnąć wykorzystując zjawisko emisji elektronów. Oddalenie się od katody wymaga wykonania pewnej pracy, zwanej pracą wyjściową. Pracę wyjściową Wo można wyrazić wzorem :

Wzory w załączniku