Elektrisk Leiar

Straumen flyt like godt i begge retningar. Mange metall er gode leiarar av elektrisk straum. Kopar og aluminium er av dei vanlegaste materialane.

Når det flyt ein elektrisk straum i eit metallisk leiande materiale er det negative elektriske ladningar (elektron) som er i rørsle i materialet. I væske kan ein elektrisk straum vera sett saman av både positive og negative ion; dei positive iona flyt i motsett retning av dei negative. Materialar som ikkje leiar elektrisk straum blir kalla isolatorar. Materialar som er dårlege leiarar blir kalla halvleiarar, og er ein mellomting mellom leiarar og isolatorar. Ved å dopa halvleiarar (tilføra andre materialar) kan dei endrast til å verta leiarar eller isolatorar.

I samband med krinsanalyse er det ein konvensjon at straumretninga er den retninga positive partiklar bevegar seg i eit elektrisk felt. Denne retninga er den motsette av rørsleretninga til elektronar i ein metallisk leiar. I praksis har ikkje dette noka betydning. I dei fleste tilfelle vil straumretninga endra seg fleire gong per sekund, millisekund, mikrosekund, osb. Elnettet til dømes nyttar 50 Hz vekselstraum, så straumretninga endrar seg 50 gong per sekund, og i ein krins i ein mikroprosessor kan straumretninga i dei overharmoniske komponentane endra seg ${\displaystyle 25\cdot 10^{9}}$  gongar per sekund.

For likestraum er den elektriske motstanden til ein leiar

${\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}},}$ 

der ${\displaystyle \rho }$  er resistiviteten til materialet, ${\displaystyle \ell }$  er lengda og ${\displaystyle A}$  er tverrsnittet til leiaren. Kopar, som er det vanlegaste materialet for elektriske leiarar i samband med elektronikk, har ein resistivitet på om lag ${\displaystyle 1,67\cdot 10^{-8}}$  ${\displaystyle \Omega }$ m ved 20 °C. Aluminium, med ${\displaystyle \rho =2,65\cdot 10^{-8}}$  ${\displaystyle \Omega }$ m ved 20 °C, er mykje nytta i elnettet. For vekselstraum vil motstanden vera noko større, på grunn straumfortrenging.

 

Elektrisk straum flyt i lukka banar, og vert ikkje «oppbruka». Omgrep som «straumforbruk» og at eit batteri er «tomt for straum» er difor meiningslause. At elektrisk straum flyt i ein lukka bane betyr ikkje at einskilde elektron flyttar seg heile vegen frå ein generator, gjennom krinsen og attende til generatoren. Det som skjer er at elektron som befinn seg i eit elektrisk felt vert akselererte, noko som fører til at dei kolliderer med andre elektron i materialet. I ein metallisk leiar vil berre elektrona i valensskalet ta del i denne prosessen. Elektron kan modellerast som partiklar, eller som «energipakkar» med bølgjenatur.

Partikkelmodellen: Om ein nyttar partikkelmodellen (Drude-modellen) vil dei akselerande elektrona kollidera med andre elektron og det oppstår ei form for kjedekollisjon, ikkje ulik ein mekanisk elastisk kollisjon. Elektrona i eit materiale vil generelt verta akselererte i noko ulike retningar, men på grunn av det elektriske feltet vil det oppstå ei sokalla elektrondrift langs leiaren. Modellen forklarar at motstanden aukar med temperaturen med at auka temperatur er det same som at den oscillerande førsla til atoma i materialet aukar, noko som i sin tur fører til fleire kollisjonar.

 

Bølgjemodellen modellerer elektrona som bølgjeforma energipakkar og er meir nøyaktig enn den klassiske partikkelmodellen. I denne modellen ser ein òg på kollisjonar mellom elektron i valensskalet, men ein tek omsyn til fasen til dei bølgjeforma elektronpakkane. I metalliske leiarar ligg atoma i ein vibrerande periodisk gitterstruktur. Om bølgjefronten til dei innkommande elektrona er i fase med rørsla til elektrona i valensbandet vil det oppstå koherent spreiing, slik at elektron som forlet eit atom fylgjer gitterstrukturen i krystallet og det oppstår ein netto elektronstraum langs leiaren.

Det er viktig å skilja mellom fasefarten og driftfarten.

Fasefart: Om ein legg på ei pulsespenning mellom to elektriske leiarar vil ein spenningspuls bevega seg utetter dei elektriske leiarane, men ein fart (fasefart)

${\displaystyle v={\frac {c}{\sqrt {\varepsilon _{r}}}},}$ 

der ${\displaystyle c=3\cdot 10^{8}}$  m/s er hastigheita til ei elektromagnetisk bølgje i vakuum og ${\displaystyle \varepsilon _{r}}$  er den relative permitiviteten til isolasjonen mellom leiarane. I eit krinskort til dømes er ${\displaystyle \varepsilon _{r}\approx 4,4}$ , så ${\displaystyle v\approx 1,43\cdot 10^{8}}$  m/s, som er under halvparten av farten i vakuum. Dette er farten signala blir overførte med.

Elektrondriftfart: Om ein nyttar den klassiske partikkelmodellen kan ein finna ein gjennomslittsfart for elektronane, kalla driftfarten:

${\displaystyle u={m\;\sigma \Delta U \over \rho ef\ell },}$ 

der ${\displaystyle m}$  er molekylmassen til leiarmaterialet, ${\displaystyle \sigma }$  er konduktiviteten, ${\displaystyle \Delta U}$  er spenninga over leiaren, ${\displaystyle \rho }$  er tettleiken til leiarmaterialet, ${\displaystyle e}$  er elementærladninga, ${\displaystyle f}$  er talet på frie elektron per atom og ${\displaystyle \ell }$  er lengda på leiaren. I samband med vekselstraum i elnettet snur spennings- og strumretninga 50 gong per sekund, så netto elektrondrift blir svært liten; typisk mindre enn 1 ${\displaystyle \mu }$ m/s.