Redigerer Elektrisk strøm (avsnitt)

==Ledningsmekanismer i ulike medier==
I metalliske faste stoffer omtalt over beveger elektrisk ladninger seg i form av elektroner fra lavere til høyere elektrisk potensial. I andre medier kan flyt av andre ladede partikler (for eksempel ioner) utgjøre en elektrisk strøm. Lenger opp ble strømretningen definert fra høyere til lavere potensial. I ledere hvor ladningsbærere er positive, er den klassiske strømretningen i samme retning som ladningsbærernes virkelige strømretning.

Is av vann og visse faste elektrolytter kalt protonledere inneholder positive hydrogenioner ([[proton]]er) som er mobile. I disse stoffene oppstår elektriske strømmer på grunn av protoner som beveger seg.<ref>{{Kilde www | forfatter=Taku Okada, Toshiaki Iitaka, Takehiko Yagi & Katsutoshi Aoki | url=http://www.nature.com/articles/srep05778 | tittel=Electrical conductivity of ice VII | besøksdato=2. september 2015 | utgiver=Nature.com | arkivdato= 22. juli 2014 }}</ref><ref>{{Kilde www | forfatter=A. Crofts | dato=1996 | tittel=Lecture 12: Proton Conduction, Stoichiometry | url=http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/lect12.html | utgiver=[[University of Illinois at Urbana-Champaign]] | besøksdato=2. september 2015 | arkiv-dato=2021-05-15 | arkiv-url=https://web.archive.org/web/20210515080504/https://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/lect12.html | url-status=yes }}</ref>

===Kjemiske spenningskilder===
I kjemiske spenningskilder som batterier består i utgangspunktet stoffene som er involvert av molekylbindinger, og ikke ionebindinger som i metaller. [[Molekyl]]er er grupper av [[atom]]er som holdes sammen på grunn av [[kjemisk binding]]er. Disse bindingene består av elektriske krefter mellom elektroner (negative) og protoner (positive). Et molekyl er isolert sett en stabil enhet, men om forskjellige stoffer bringes sammen vil noen molekyler være i stand til å «stjele» elektroner fra andre, noe som resulterer i ladningsseparasjon. Denne omfordeling av ladninger blir ledsaget av en endring av energien til systemet, og en rekonfigurering av atomene i molekylene. [[Alessandro Volta]] (1745–1827) utviklet det første galvaniske element, den såkalte [[voltasøyle]]n, i 1792 og presenterte sitt arbeid den 20. mars [[1800]].<ref name=Mottelay>{{Kilde bok | tittel=Bibliographical History of Electricity and Magnetism | forfatter=Paul Fleury Mottelay | side=247 | url= | isbn=1-4437-2844-6 | utgiver=Read Books |år=2008 | utgave=Reprint of 1892}}</ref> 

Prosessen der elektroner opptas kalles ''[[reduksjon]]'' og tap av elektroner kalles ''[[oksidasjon]]''. Reaksjoner hvor slik utveksling av elektroner oppstår (som er grunnlaget for batterier) kalles ''[[Redoksreaksjon|redoksreaksjoner]]''. I et batteri er det en elektrode som består av et materiale som får elektroner fra det oppløste stoffet, mens den andre elektroden mister elektroner. Dette på grunn av grunnleggende molekylære egenskaper. Den samme oppførsel kan sees for seg selv i atomer, der deres evne til å «stjele» elektroner blir referert til som deres [[elektronegativitet]]. Når molekylene er brakt sammen vil elektronene omorganisere seg for å oppnå en likevekt der det ikke er noen netto krefter som virker på dem.<ref>{{Kilde bok | tittel=Advanced organic chemistry | forfatter=Francis A. Carey, Richard J. Sundberg | isbn=0-387-68346-1 | utgave=5 | år=2007 |utgiver=Springer | side=11 | url=}}</ref>

[[Fil:Galvanic_cell_labeled.svg|mini|Skjematisk fremstilling av to celler fra en [[daniellcellen|Daniellcelle]].]]

Som et eksempel på en type batteri beskrives her den såkalte [[daniellcellen]] som består av en ''[[anode]]'' av [[sink]] (en elektronsamler) som oppløses i en [[sinksulfat]]oppløsning. Den oppløste sinken forlater sine elektroner i elektroden i henhold til oksidasjonsreaksjonen:

:<math>\mathrm{Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2 e ^- \ } </math>

der ''s'' betyr den faste elektrode og ''aq'' betyr vannoppløsning. Sinksulfatet er en elektrolytt, som er en løsning hvor komponentene består av ioner, i dette tilfellet sinkioner <math>\mathrm{Zn}_{} ^{2+}</math>, og sulfationer <math>\mathrm{SO}_4^{2-}\ </math>.

Ved [[katode]]n vil [[kobber]]ioner i en [[kobbersulfat]]elektrolytt adoptere elektroner fra elektroden ved reduksjonsreaksjonen:

:<math> \mathrm{Cu^{2+}_{(aq)} + 2 e^- \rightarrow Cu_{(s)}\ } </math>

og således dannes nøytralisert kopper på elektroden.

===Gasser og plasmaer===
{{hoved|Plasma}}

[[Fil:Plasma-lamp.jpg|mini|En såkalt plasmalampe bestående av en elektrode og en ytre kule av glass. {{byline|Luc Viatour}}]]

Gasser har lav elektrisk ledningsevne, dermed betraktes gass normalt som en [[Isolator]] eller som et [[dielektrikum]].<ref>{{Kilde www|url=http://hypertextbook.com/facts/2000/AliceHong.shtml|tittel=Dielectric Strength of Air|dato=2000|fornavn=Alice|etternavn=Hong|verk=The Physics Factbook}}</ref> Når det elektriske feltet nærmer seg grensen for ''gjennomslag'', vil bundne elektroner bli tilstrekkelig akselerert til å bli frie elektroner. Blir spenningen så høy at gjennomslag virkelig skjer dannes [[Plasma (fysikk)|plasma]]. Dette er regioner med innhold av nok mobile elektroner og positive ioner til å gjøre om gassen til en elektrisk leder. I prosessen dannes det en lysemitterende ledende bane, altså en [[lysbue]], eller [[lyn]] om det dreier seg om atmosfæreutladninger.<ref>{{Kilde www|url=http://hypertextbook.com/facts/2000/AliceHong.shtml|tittel=Dielectric Strength of Air|dato=2000|fornavn=Alice|etternavn=Hong|verk=The Physics Factbook}}</ref>

Plasma er den aggregattilstand hvor en del elektroner i en gass er «ionisert» fra deres molekyler eller atomer. Et plasma kan dannes ved høy temperatur, eller ved anvendelse av et høy elektrisk eller magnetisk vekselfelt.<ref>{{Kilde www |forfatter=A. Crofts | dato=1994 | tittel=What are Plasmas? | url=http://www.plasmas.org/what-are-plasmas.htm | utgiver=plasmas.org | besøksdato=2. september 2015 }}</ref>

Frie ioner rekombinerer og skaper nye kjemiske forbindelser (for eksempel brytes atmosfærisk oksygen ned til frie oksygenatomer og rekombinerer til [[ozon]] (O<sub>3</sub>).

=== Vakuum ===
Siden vakuum ikke inneholder noen ladede partikler vil det normalt oppføre seg som en isolator. Imidlertid kan elektrodeoverflater med sterke elektriske felter føre til at en region av vakuumet blir ledende, dette er kjent som [[feltemisjon]]. Dermed kan elektroner bevege seg mellom elektroder i et vakuumkammer. En annen mekanisme for strøm i vakuum er [[Edison-Richardson-effekt]]en. Noen typer [[radiorør]] utnytter disse mekanismene.

=== Superledning ===
{{hoved|Superleder}}

[[Superleder|Superledning]] ble oppdaget i [[1911]] av den nederlandske fysikeren [[Heike Kamerlingh Onnes]] (1853–1926). Fenomenet innebærer at all elektrisk motstand forsvinner i en leder. Onnes oppdaget at [[kvikksølv]] mister sin motstand ved en temperatur under 4,2 [[Kelvin|K]]. Flere års forskning og eksperimenter har vist at temperaturen for å oppnå superledning kan være enda høyere for en del materialer.<ref>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 852.]]</ref>

Superledning er en [[Kvantemekanikk|kvantemekanisk]] effekt. En teori for superledning i metaller ble gitt av [[John Bardeen]] (1908–1991), [[Leon Cooper]] (1930–) og [[John Robert Schrieffer]] (1931–) i 1957. Teorien beskriver superledning som et resultat av kollektive bevegelse av elektronpar, dannet ved ''elektron-fonon-kobling''. Ledningen av strøm skjer da uten at energi forsvinner ved vekselvirkning med inonene i krystallstrukturen. Imidlertid er det flere andre teorier, og det foregår stadig forskning innenfor dette feltet. Flere nobelpriser er delt ut til forskere innenfor superledning.<ref>{{Kilde www | forfatter=Helmer Fjellvåg | url=https://snl.no/superleder | tittel=Superleder | besøksdato=2. september 2015 | utgiver=snl.no | arkivdato= 14. februar 2009 }}</ref>

=== Halvledere===
{{Utdypende artikkel|Halvleder|seogså=Transistor}}
[[File:80486dx2-large.jpg|thumb|En mikroprosessor av typen [[Intel 80486|Intel 80486DX2]] er eksempel på avansert bruk av halvledere. Senteret av enheten har en størrelse på 12×6,75 mm. {{byline|Matt Gibbs}}]]

Halvledere har større ledningsevne enn isolatorer, men de er dårligere ledere enn metallene. [[Silisium]] og [[germanium]] er eksempler på slike ledere. En spesiell egenskap med halvledere er at økende temperatur gir økt ledningsevne (konduktivitet), dette i motsetning til ledere.<ref>[[#FI|John Haugan: ''Fysikk for ingeniører '' del V, side 128.]]</ref> Halvledere er også svært følsome for små mengder urenheter, noe som endrer de elektriske egenskapene drastisk. Nettopp dette er bakgrunnen til at halvlederne er viktige i elektroniske komponenter.<ref name=YL1452>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 1452.]]</ref> 

I silisium og germanium er det fire elektroner i det ytterste elektronskallet, disse er del av den [[Kovalent binding|konvalente]] krystallstrukturen. Ved lave temperaturer er alle de fire ytterste elektronene en del av bindingene, da kan heller ikke ''[[valenselektron]]ene'' «hoppe» fra ''valensbåndet'' til ''ledningsbåndet''. Dette er grunnen til at halvlederne er isolatorer ved lave temperaturer, det er nemlig bare elektroner som har fått energi nok til å være i ledningsbåndet som kan bevege seg fritt når et ytre elektrisk felt blir påsatt. Imidlertid er det lite energi som skal til for å løfte elektroner fra valens- til ledningsbåndet. Allerede ved [[romtemperatur]] er det elektroner i ledningsbåndet som har anledning til å bevege seg fritt i krystallstrukturen.<ref name=YL1452/>

Når et elektron forlater ledningsbåndet etterlater det seg en ledig plass. Denne plassen kan fylles av et elektron fra naboatomet, dermed blir det naboatomet som får en ledig plass. En ledig plass kalles et ''hull'', og i halvledere er dette en egen type ladningsbærer som kan flyttes rundt i metallet. En kan se på dette som en boble som beveger seg i en væske. I en ren halvleder er det alltid likt antall valensbåndhull og lednignsbåndelektroner. Når et elektrisk felt påtrykkes vil disse bevege seg, men med de har motsatt retning. Hullet i valensbåndet opptrer som en positiv ladning, til tross for alle bevegelige ladningsbærere i valensbåndet er elektroner.<ref>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 1453.]]</ref>

[[Fil:Schema - n-dotiertes Silicium.svg|mini|En [[fosfor]]urenhet (P) i et materiale bestående av [[silisium]] (Si), representerer en donor og gir en n-type [[halvleder]]. I atommodellen sees fosforatomet i midten med et femte [[valenselektron]]. Dette er løst bundet til atomkjernen og kan dermed lett vandre rundt i materialet.{{byline|Markus A. Henning}}]]

For å øke ledningsevnen i en halvleder er [[Doping (halvledere)|doping]] vanlig. For eksempel kan det i smeltet [[silisium]] (Si) tilsettes en meget liten mengde [[fosfor]] (P). Silisium har fire elektroner i sitt ytterste skall, altså valensbåndet, mens fosfor har fem. Illustrasjonen viser en atommodell der fosforatomet ligger i senter omgitt av flere silisiumatomer. Det femte valenselektronet til fosforatomet er løst bundet, og det er heller ikke del av den kovalente bindingen som ellers gjør seg gjeldende i stoffet. Dermed kan dette elektronet selv ved romtemperatur enkelt få nok energi til å hoppe opp i ledningsbåndet, dermed er det fritt til å vandre i materialet. I tillegg til fosfor, er det typisk [[nitrogen]] (N), [[arsen]] (As), [[antimon]] (Sb) og [[vismut]] (Bi) som brukes til doping i denne typen halvlederne. Ledningsevnen er så å si bare relatert til negativ ladning, dermed kalles slike dopede halvledere for ''n-type halvleder''.<ref name=YL1454>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 1454.]]</ref>

[[Fil:Schema - p-dotiertes Silicium.svg|mini|En [[aluminium]]surenhet I et materiale bestående av [[silisium]] (Si). I denne atommodellen sees aluminiumsatomet i midten med bare tre [[valenselektron]]er. Dermed kan dette atomet lett «låne» et elektron fra et av sine naboatomer, det oppstår da et hull som kan vandre fritt rundt i stoffet.{{byline|Markus A. Henning}}]]

En annen type doping er å benyttet en liten mengde av [[Bor (grunnstoff)|bor]] (B), aluminium (Al), [[gallium]] (Ga), [[indium]] (In) eller [[thallium]] (Tl). I figuren er det vist en atommodell der silisium er dopet med aluminium. Aluminium vil like å forme fire kovalente bånd, men har bare tre valenselektroner. Imidlertid kan det «låne» et elektron fra et av sine naboatomer, dermed får det et komplett kovalentbånd med fire elektroner. Naboatomet som gir fra seg et elektron får nå et «hull», dette oppfører seg som en positiv ladning og kan forflytte seg rundt i krystallstrukturen. Aluminiumsatomet blir det en kaller for en ''akseptor'', ved at det tar til seg et elektron ekstra. Fra før var aluminiumsatomet nøytralt, men nå er det blitt netto negativt. Selve atomet er ikke i stand til å forflytte seg, derimot kan hullet gjøre det og en halvleder som er dopet med akseptorer får god ledningsevne takket være positiv ladningsforflytning. En kaller slike materialer for ''p-type halvleder''.<ref name=YL1454/> 

En essensiell komponent i elektronikken er en [[diode]], den består av en såkalt ''pn-overgang'', der en halvdel er en p-type halvleder og den andre n-type. Det spesielle med en diode er at den har gode lederegenskaper, men bare for strøm der påtrykket spenning er i en bestem retning. Det vil si at om spenningen snur, så vil den knapt lede noe strøm i det hele tatt. Slike komponenter brukes til å [[Likeretter|likerette]] strøm. 

En pn-overgangens virkemåte kan forklares slik: Si at diodens p-typeterminal tilknyttes positiv terminal på en spenningskilde, for eksempel et batteri, mens n-typeterminalen tilknyttes batteriets negative terminal. Da får p-typeregionen et høyere potensial enn n-typeregionen, som blir det samme som å si at det oppstår et elektrisk felt fra p-regionen til n-regionen. Da vil hull som det er mange av i p-regionen flytte seg mot pn-overgangen og over i n-regionen. I n-regionen er det mange frie elektroner som lett flytter seg i motsatt retning og inn i p-regionen. I denne situasjonen leder pn-overgangen (i dioden) strøm. Om en nå bytter tilkoblingen til batteriet, vil det elektriske feltet forsøke å flytte elektroner fra p-regionen og inn i n-regionen, og motsatt hull fra n-regionen til p-regionen. Imidlertid er det veldig få frie elektorer i p-regionen og få hull i n-regionen. I denne ''revers retningen'' blir strømmen mindre, selv om spenningen fra batteriet er like stor.<ref>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 1456-1457.]]</ref>

Andre komponenter som fungerer ved å utnytte dopede halvledere er [[lysdiode]]r og [[transistor]]er. En transistor har tre terminaler, og ved å sette på en liten strøm til dens ''base'' kan en større strøm gå gjennom de to andre terminalene. Ved å variere den lille strømmen inn på baseterminalen kan en kontrollere strømmen gjennom transistoren, dermed kan den brukes som [[forsterker]], for eksempel i en radiomottaker.