3.1 Η έννοια του ηλεκτρικού ρεύματος

Όλοι και όλες σας θα έχετε παρατηρήσει το νήμα ενός λαμπτήρα πυράκτωσης, όταν είναι σε λειτουργία. Τι είναι εκείνο που αναγκάζει το σύρμα να εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία και ταυτόχρονα να θερμαίνει; Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα στην κατάσταση του λαμπτήρα όταν είναι σκοτεινός και σε εκείνη όταν είναι φωτεινός; Γνωρίζετε ότι, για να φωτοβολήσει ένας λαμπτήρας, αρκεί να πιέσετε τον κατάλληλο διακόπτη. Τι συμβαίνει, λοιπόν, όταν πιέζουμε το διακόπτη ενός λαμπτήρα (και κάθε ηλεκτρικής συσκευής) και μεταβάλλεται τόσο ριζικά η κατάσταση του; Ας μην ξεχνάμε ότι τόσο η ακτινοβολία φωτός όσο και η εκπομπή θερμότητας είναι φαινόμενα που προϋποθέτουν ενεργειακές μετατροπές. Από πού προέρχεται η φωτεινή και η θερμική ενέργεια που εκπέμπουν τα άτομα του υλικού του νήματος του λαμπτήρα; Ποιος παράγοντας κινητοποιήθηκε με το κλείσιμο του διακόπτη και ανάγκασε τα άτομα του υλικού να εκπέμπουν ενέργεια; Μην ξεχνάτε ότι η ηλεκτρική καλωδίωση είναι μεταλλική. Θυμηθείτε τώρα ότι μέσα σε κάθε κομμάτι μετάλλου υπάρχουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, που κινούνται τυχαία και άτακτα. Αυτά ακριβώς τα αόρατα, μικροσκοπικά και φευγαλέα σωματίδια, όταν βρεθούν κάτω από ειδικές συνθήκες, δημιουργούν τα φαινόμενα που αναφέραμε.

Στο εσωτερικό των μεταλλικών αγωγών κυκλοφορούν ηλεκτρόνια, που κινούνται τυχαία και χαοτικά προς όλες τις κατευθύνσεις (εικόνα 1α). Τα ηλεκτρόνια αυτά αποτελούν το λεγόμενο ηλεκτρονικό νέφος του μετάλλου, και οι ταχύτητες τους είναι, γενικώς, πολύ μεγάλες.

Ας υποθέσουμε ότι στα άκρα του μεταλλικού αγωγού εφαρμόζουμε μια σταθερή διαφορά δυναμικού (εικόνα 1β). Ως αποτέλεσμα αυτής της διαφοράς δυναμικού θα δημιουργηθεί στο εσωτερικό του μετάλλου ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο. Το πεδίο θα ασκήσει δυνάμεις στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, που θα έχουν όλες την ίδια κατεύθυνση, αντίθετη προς την κατεύθυνση της έντασης . Εξαιτίας αυτών των δυνάμεων τα ηλεκτρόνια του νέφους θα αποκτήσουν μια συνιστώσα ταχύτητας κατά την κατεύθυνση της δύναμης. Αυτό σημαίνει ότι όλα θα αρχίσουν να κινούνται προς αυτή την κατεύθυνση. Η κίνηση παύει να είναι τυχαία και γίνεται προσανατολισμένη. Αυτή την κίνηση την ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα.

Ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζουμε την ομαδικά προσανατολισμένη κίνηση ελεύθερων ηλεκτρικών φορέων. Οι κινούμενοι φορείς στα μέταλλα είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στα διαλύματα ηλεκτρολυτών οι κινούμενοι φορείς είναι ελεύθερα θετικά και αρνητικά ιόντα. Στα αέρια οι φορείς είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, θετικά ιόντα και αρνητικά ιόντα.

Εικ. 1