Elektriske strømme og hvordan de opfører sig

Når en ladning bevæges gennem et materiale fra et sted til et andet, har man det der hedder en strøm. Et materiales evne til at tillade bevægelsen af ladningen gennem sig, kaldes materialets konduktivitet eller ledningsevne og dette er en materialespecifik egenskab.

I forhold til elektrisk ledningsevne, deles materialer op i ledere, halvledere og isolatorer. Som materiale betragtet, er forskellen på de tre, at

• ledere har frie elektroner der kan anvendes til at lede strømmen.
• halvledere har ingen frie elektroner, men nogle af dem er ikke så hårdt bundet, og kan løsnes, ved tilstrækkeligt høje strømstyrker.
• isolatorer har ingen frie eller løse elektroner, og derfor leder strøm meget dårligt.

Man skal her være opmærksom på, at dette ikke er enten/eller. Der er en glidende overgang fra ledere over halvledere til isolatorer. Ligeledes skal man være opmærksom på den almindelige misforståelse at isolatorer ikke kan lede en strøm. Dette er ikke korrekt, og forskellen på at lede dårligt og ikke at kunne lede, er yderst relevant ved bl.a. højspændingsmaster og transformerstationer. Isolator er kun et udtryk for at resistiviteten, dvs. modstanden, er over et vidst niveau. Der er tilsyneladende ikke nogen klar definition på hvornår et materiale går fra at være en halvleder til at være en isolator, men ved resistiviteter på 10¹² ohm · m (som er resistiviteten for glas) eller højerer taler man om isolatorer.

Forskellen på ledere og halvledere er vigtig i forhold til ledningsevnen som funktion af temperaturen. Den generelle regel for ledere er, at ledningsevnen stiger med faldende temperaturer, og bliver i visse tilfælde superledere, når temperaturen bliver tilstrækkeligt lav. Grunden til dette er, at varmen påvirker elektronernes bevægelse og gør deres bevægelser mere tilfældige (eller mindre organiserede, om man vil) i takt med at temperaturen stiger. Jo mere organiseret elektronerne bevæger sig, des bedre ledningsevne. Halvledere derimod, har brug for at elektronernes trækkes fri fra atomerne, og i takt med at temperaturerne falder, falder atomernes bevægelse også, hvilket gør det stadig sværere at rykke elektronerne fri af deres atomer. Så, for halvledere vil ledningsevnen normalt falde med faldende temperaturer.

At få ladningen til at bevæge sig fremad i lederen kræver en vedvarende kraft på den mobile ladning, f.eks. et elektrisk felt . Kraften for ladningen q er



I en leder bevæger en ladning sig fremad og accelererer indtil den støder ind i en forhindring, f.eks. et atom, og taber noget af sin kinetiske energi, hvorefter den accelererer op igen. Dette resulterer i en uregelmæssig bevægelse frem og tilbage og retningen på det elektriske felt driver gradvist. Uelastiske sammenstød med stationære ladninger, overfører al energien til disse, hvilket resulterer i en forøget vibrationsenergi, dvs. øget temperatur, i lederen.

Mens ladningerne bevæger sig frem og tilbage, er der et generelt flow i én retning, som er den målbare strøm. Den praktiske måde at arbejde med ledningsevne er derfor at se på antallet af ladninger (nettoladningen), ΔQ, som bevæger sig gennem et areal pr. tidsenhed, Δt. Dette er strømstyrken I.

I =	ΔQ
	Δt

Flowet af ladninger kan ændre sig over tid, så man bruger den afledte strømstyrke:

I =	dQ
	dt

SI-enheden for strømstyrken er Ampere, A, svarende til coulomb pr. sekund, C/s.

Når ladningerne bevæger sig gennem det ledende materiale, kan strømstyrken måles som drivhastigheden v. Hvis vi ser på et tværsnit af et ledende materiale, hvorigennem der er et elektrisk felt, , i retningen venstre til højre, vil frie positivt ladede partikler bevæge sig i samme retning som det elektriske felt, mens de negativt ladede partikler vil bevæge sig i den modsatte retning. Selv om de positive og de negative partikler bevæger sig i hver sin retning, har den resulterende strøm altid samme retning som det positive ladninger. Grunden til dette er, at det er opbygningen af positive ladninger som driver strømmen. Dette gøres både ved at flytte positive ladninger i den retning, og ved at fjerne de negative ladninger.

For n ladede partikler, med ladningen q, som bevæger sig gennem tværsnitsarealet A i tidsrummet Δt, er ladningen ΔQ, som bevæger sig igennem tværsnittet


Det er værd at bemærke, at ladningen q i disse beregninger faktisk er den numeriske værdi af ladningerne, dvs. partiklerne e⁻ og H⁺ har begge ladningen 1, Ca²⁺ og SO₄²⁻ har begge ladningen 2 osv. Årsagen til dette er, at hastighed, i modsætning til fart, er en vektor, dvs. den har en retning, fordi den beregnes ud fra en start- og en slutposition, gerne skrevet som x-x₀ i fysikundervisningen. Hvis retningen for de positive ladninger er positiv, vil retningen for de negative ladninger være negativ. Den negative ladning gange den negative afstand giver et positivt produkt, dvs. q · v er altid ≥ 0.

Den resulterende strømstyrke gennem tværsnittet er:

I =	ΔQ	= n · q · v · A
	Δt

For et fast stof, hvor kun elektronerne bevæger sig, er dette tilstrækkeligt, men hvis flere partikler med forskellige ladninger bevæger sig, f.eks. ioner, er den faktiske strømstyrke

I =	ΔQ	= A ·	i Σ 1	ni · qi · vi
	Δt

I visse tilfælde giver det mere mening at arbejde med densiteten af strømmen, strømtætheden, dvs. strømstyrke pr. arealenhed. Strømtætheden skrives som J:

J =	I	=	i Σ 1	ni · qi · vi
	A

Strømtætheden kan også beskrives som en vektor:

→ J =	I	=	i Σ 1	ni · qi · → vi
	A

Vi ser her resultatet af de negativt ladede elementer, der har en negativ drivhastigheds-vektor, som gør at alle vektorbidragene fra n · q · altid har samme retning som , og vil altid have samme retning som .