Studiul condițiilor și mecanismelor conducției electrice în metale, lichide, gaze și vid.
Curentul electric este, prin definiție, o deplasare ordonată de purtători de sarcină. Ce anume se deplasează diferă însă radical de la un mediu la altul — iar tot capitolul se reduce, în esență, la a ști cine sunt purtătorii în fiecare caz.
În metale, purtătorii sunt exclusiv electronii liberi. Atomii metalului cedează electronii de valență unui fond comun, formând un fel de gaz electronic care se mișcă printre ionii pozitivi ficși ai rețelei cristaline. Un fapt esențial, cerut frecvent: în metale ionii rețelei nu se deplasează, deci trecerea curentului nu modifică chimic conductorul. Un fir de cupru rămâne cupru oricât curent l-ar străbate.
În absența câmpului electric, electronii se mișcă haotic, cu viteze termice mari, dar fără sens preferențial, deci curentul este nul. Aplicarea unei tensiuni suprapune peste această agitație o deplasare ordonată foarte lentă, numită viteză de drift, de ordinul fracțiunilor de milimetru pe secundă. Aici apare un paradox aparent: dacă electronii merg atât de încet, de ce becul se aprinde instantaneu? Pentru că nu electronii trebuie să ajungă de la întrerupător la bec, ci câmpul electric se stabilește de-a lungul firului aproape cu viteza luminii, punând simultan în mișcare electronii de peste tot.
Rezistivitatea metalelor crește cu temperatura, după legea:
ρ = ρ₀·(1 + α·Δt)
unde α este coeficientul termic al rezistivității, iar Δt variația de temperatură. Explicația microscopică: încălzirea intensifică vibrațiile ionilor din rețea, care împiedică tot mai mult deplasarea ordonată a electronilor. Numărul de purtători rămâne practic neschimbat — doar drumul lor devine mai anevoios. Pe această dependență se bazează termometrele cu rezistență, iar tot ea explică de ce un bec cu filament are rezistența mult mai mică la rece decât în funcționare.
La temperaturi foarte joase, unele metale și aliaje trec brusc în stare de supraconductibilitate: rezistivitatea devine riguros zero sub o temperatură critică. Un curent lansat într-un inel supraconductor circulă practic la nesfârșit, fără pierderi. Aplicații: electromagneții puternici din aparatele RMN și din acceleratoarele de particule.
Apa distilată și cristalele uscate de sare nu conduc curentul. Dizolvarea sării în apă schimbă însă totul: moleculele se despart în ioni mobili, printr-un proces numit disociație electrolitică. Soluția rezultată se numește electrolit.
În electroliți, purtătorii de sarcină sunt ionii pozitivi (cationi) și ionii negativi (anioni), adică particule de substanță, nu electroni. De aici deosebirea fundamentală față de metale: în electroliți trecerea curentului este însoțită obligatoriu de transport de substanță și de transformări chimice la electrozi.
Sub acțiunea câmpului electric, cationii migrează spre catod (electrodul negativ), unde primesc electroni, iar anionii spre anod (electrodul pozitiv), unde cedează electroni. Ansamblul acestor fenomene se numește electroliză.
Legea I a lui Faraday: masa de substanță depusă la un electrod este proporțională cu sarcina electrică ce a trecut prin electrolit:
m = k·q = k·I·t
unde k este echivalentul electrochimic al substanței, măsurat în kg/C.
Legea a II-a a lui Faraday arată de ce depinde echivalentul electrochimic:
k = (1/F)·(A/n)
unde A este masa atomică, n valența ionului, iar F = 96 500 C/mol este constanta lui Faraday — sarcina necesară pentru a depune un echivalent-gram de substanță.
Combinând cele două rezultă formula folosită în majoritatea problemelor:
m = (1/F)·(A/n)·I·t
La aplicarea ei, două verificări previn cele mai multe greșeli: timpul trebuie exprimat în secunde, iar valența n nu se confundă cu numărul de atomi din formula chimică.
Aplicații: galvanizarea (acoperirea unui obiect cu un strat subțire de metal — nichelare, cromare, argintare), rafinarea electrolitică a cuprului până la puritate foarte înaltă, obținerea aluminiului din bauxită, galvanoplastia pentru reproducerea unor piese, precum și acumulatorii și bateriile, care valorifică procese electrochimice reversibile.
În gaze, situația de plecare este că gazul neutru este un izolator: nu are purtători liberi. Pentru ca gazul să conducă, el trebuie mai întâi ionizat, adică unele molecule trebuie să piardă electroni. Rezultă trei tipuri de purtători simultan: ioni pozitivi, ioni negativi și electroni — singurul mediu din capitol în care conduc toate trei.
Ionizarea poate fi produsă de un agent ionizant extern (flacără, radiații ultraviolete, radiații nucleare, temperatură foarte înaltă) sau de câmpul electric însuși, dacă acesta este suficient de intens.
După cum are sau nu nevoie de agentul extern, descărcarea este:
Tipuri de descărcări autonome: descărcarea în scânteie (fulgerul este exemplul natural), arcul electric (la sudură, cu temperaturi de mii de grade), descărcarea corona (pe vârfuri ascuțite și pe liniile de înaltă tensiune) și descărcarea luminescentă, care apare la presiune scăzută.
Acest ultim caz merită reținut separat: în tuburile cu gaz rarefiat, moleculele fiind rare, electronii parcurg distanțe mari fără să se ciocnească, capătă energie mare și excită gazul, care emite lumină de culoare caracteristică — neon pentru roșu-portocaliu, argon pentru albastru-violet. Pe acest principiu funcționează reclamele luminoase și lămpile fluorescente.
În vid nu există nici atomi de ionizat. Purtătorii trebuie deci introduși din exterior, cel mai simplu prin emisie termoelectronică: un filament metalic încălzit puternic emite electroni, care ies din metal învingând lucrul mecanic de extracție.
În dioda cu vid (tubul electronic), electronii plecați de la catodul incandescent sunt atrași de anod numai dacă acesta este pozitiv. Dacă anodul este negativ, electronii sunt respinși și curentul este nul — deci și tubul cu vid are conducție unilaterală, ca dioda semiconductoare, dar prin mecanism complet diferit.
Tubul catodic folosește același principiu: un fascicul de electroni este accelerat, focalizat și deviat cu câmpuri electrice sau magnetice, apoi lovește un ecran fluorescent. A stat la baza televizoarelor și osciloscoapelor clasice.
Cele două efecte încheie capitolul cu fenomene care nu produc energie nouă, ci convertesc sau dezvăluie informații despre purtătorii de sarcină.
Efectul termoelectric (efectul Seebeck)
Dacă se sudează la ambele capete două conductoare din metale diferite și cele două suduri sunt menținute la temperaturi diferite, în circuit apare o tensiune electromotoare și circulă un curent, fără nicio sursă exterioară.
Tensiunea termoelectromotoare este, cu bună aproximație, proporțională cu diferența de temperatură:
E = α·(T₁ − T₂)
unde α este coeficientul termoelectric al perechii de metale. Explicația calitativă: concentrația electronilor liberi și energia lor medie depind de material și de temperatură, iar la joncțiuni apar diferențe de potențial de contact care nu se mai compensează când capetele sunt la temperaturi diferite.
Ansamblul se numește termocuplu și este unul dintre cele mai folosite instrumente de măsurare a temperaturii în industrie: robust, ieftin, cu domeniu foarte larg (de la temperaturi criogenice până la peste 1500 °C) și cu răspuns rapid. Două precizări utile: dacă ambele suduri sunt la aceeași temperatură, tensiunea este nulă, iar dacă cele două conductoare sunt din același metal, efectul nu apare deloc.
Fenomenul invers se numește efect Peltier: trecerea unui curent printr-o joncțiune de metale diferite produce încălzirea unei suduri și răcirea celeilalte. Pe el se bazează frigiderele portabile fără compresor și răcirea unor componente electronice.
Efectul Hall
Dacă o plăcuță conductoare parcursă de curentul I este așezată într-un câmp magnetic perpendicular pe ea, forța Lorentz deviază purtătorii spre una dintre fețele laterale. Sarcinile se acumulează acolo, iar între cele două fețe laterale apare o tensiune Hall transversală:
U_H = R_H·I·B/d
unde d este grosimea plăcuței, iar R_H constanta Hall a materialului.
Importanța lui este mai mult de metodă decât de energie: semnul tensiunii Hall arată semnul purtătorilor majoritari. Așa s-a confirmat experimental că în metale conduc sarcini negative, iar într-un semiconductor de tip p conduc efectiv goluri pozitive — una dintre dovezile directe ale modelului cu goluri. Practic, senzorii Hall măsoară câmpuri magnetice, detectează poziția și turația la roți, motoare și telefoane, fără contact mecanic.