Умови виникнення струму.
Електричним струмом називають спрямований рух заряджених частинок. Кількісними характеристиками струму є його сила струму (відношення заряду: стерпного через поперечний переріз провідника за одиницю часу):
і його щільність, що визначається співвідношенням:
.
Одиницею виміру сили струму є ампер (1А - характерне значення струму, споживаного побутовими електронагрівальними приладами).
Необхідними умовами існування струму є наявність вільних носіїв зарядів, замкнутому ланцюзі і джерела ЕРС (батареї), що підтримує спрямований рух.
Електричний струм може існувати в різних середовищах: у металах, вакуумі, газах, у розчинах і розплавах електролітів, в плазмі, у напівпровідниках, в тканинах живих організмів.
При протіканні струму практично завжди відбувається взаємодія носіїв зарядів з навколишнім середовищем, що супроводжується передачею енергії останньої у вигляді тепла. Роль джерела ЕРС як раз і полягає в компенсації теплових втрат у ланцюгах.
Електричний струм у металах зумовлений рухом щодо вільних електронів через кристалічну решітку. Причини існування вільних електронів у провідних кристалах може бути пояснена тільки мовою квантової механіки.
Досвід показує, що сила електричного струму, що протікає по провіднику, пропорційна прикладеному до його кінців різниці потенціалів (закон Ома). Постійний для обраного провідника коефіцієнт пропорційності між струмом і напругою називають електричним опором:
(3)
Опір вимірюють у омах (опір людського тіла складає близько 1000 Ом). Величина електричного опору провідників слабко зростає при збільшенні їх температури. Це пов'язано з тим, що при нагріванні вузли кристалічної решітки посилюють хаотичні теплові коливання, що перешкоджає направленого руху електронів. У багатьох завданнях безпосередній облік коливань решітки виявляється досить трудомістким. Для спрощення взаємодії електронів з хитаються вузлами виявляється зручним замінити їх зіткненнями з частинками газу гіпотетичних частинок - фононів, властивості яких підбираються так, щоб отримати максимально наближене до реальності опис і можуть надаватися досить екзотичними. Об'єкти такого типу дуже популярні у фізиці і називаються квазічастинками. Крім взаємодій з коливаннями кристалічної решітки руху електронів в кристалі можуть перешкоджати дислокації - порушення регулярності решітки. Взаємодії з дислокаціями відіграють визначальну роль при низьких температурах, коли теплові коливання практично відсутні.
Деякі матеріали при низьких температурах повністю втрачають електричний опір, переходячи в понад провідний стан. Струм в таких середовищах може існувати без будь-яких ЕРС, оскільки втрати енергії при зіткненнях електронів з фононами і дислокаціями відсутні. Створення матеріалів, що зберігають сверхповодящее стан при відносно високих (кімнатних) температур і невеликих струмах є досить важливим завданням, рішення якої зробило би справжній переворот в сучасній енергетиці, тому що дозволило б передавати електроенергію на великі відстані без теплових втрат.
В даний час електричний струм в металах використовується головним чином для перетворення електричної енергії в теплову (нагрівачі, джерела світла) або в механічну (електродвигуни). В останньому випадку електричний струм використовується в якості джерела магнітних полів, взаємодія з якими інших струмів викликає появу сил.
Електричний струм у вакуумі строго кажучи неможливий через відсутність в ньому вільних електричних зарядів. Однак, деякі провідні речовини при нагріванні або опроміненні світлом здатні випускати зі своєї поверхні електрони (термоеміссія і фотоемісія), які здатні підтримувати електричний струм, рухаючись від катода до іншого (позитивному) електроду - аноду. При подачі на анод негативного напруги струм у ланцюзі обривається. Описане властивість обумовлює широке застосування електровакуумних приладів в електронних пристроях для випрямлення змінного струму. До порівняно недавнього часу електровакуумні пристрої широко використовувалися як підсилювачі електричних сигналів. В даний час вони майже повністю витіснені напівпровідниковими приладами.
Електричний струм у газах на перший погляд не може існувати через відсутність вільних заряджених частинок (електрони в атомах і молекулах газів міцно "пов'язані" з ядрами електростатичними силами). Однак, при передачі атому енергії близько 10еВ (енергія, що здобувається вільним електроном при проходженні через різницю потенціалів в 10 В), останній переходить в іонізоване стан (електрон йде від ядра на як завгодно велику відстань). У газах при кімнатних температурах завжди присутня дуже невелика кількість іонізованих атомів, що виникли під дією космічного випромінювання (фотоіонізація). При приміщенні такого газу в електричне поле заряджені частинки починають розганятися, передаючи нейтральним атомам набрану кінетичну енергія і іонізуя їх. У результаті розвивається лавиноподібний процес наростання числа вільних електронів та іонів - виникає електричний розряд. Характерне світіння розряду пов'язано з виділенням енергії при рекомбінації електронів і позитивних іонів. Типи електричних розрядів дуже різні і сильно залежачи від складу газу і зовнішніх умов.
Плазма.
Речовина, що містить суміш нейтральних атомів, вільних електронів і позитивних іонів, називають плазмою. Плазма, що виникає внаслідок порівняно слабкострумових електричних розрядів (напр. в трубках "денного світла") характеризується досить малими концентраціями заряджених частинок в порівнянні з нейтральними (). Зазвичай її називають низькотемпературної, оскільки температура атомів та іонів близька до кімнатної. Середня ж енергія набагато більш легких електронів виявляється набагато більшою. Т.ч. низькотемпературна плазма є істотно нерівноважної, відкритим середовищем. Як зазначалося, в подібних середовищах можливі процеси самоорганізації. Добре відомим прикладом є генерація в плазмі газових лазерів високо упорядкованого когерентного випромінювання.
Плазма може так само може бути термодинамічно рівноважною. Для її існування необхідна дуже висока температура (при якій енергія теплового руху порівнянна з енергією іонізації). Такі температури існують на поверхні Сонця, можуть виникати при дуже потужних електричних розрядах (блискавки), при ядерних вибухах. Таку плазму називають гарячою.
Атмосферний електрику.
Земля є досить хорошим провідником електричного струму (у порівнянні з сухим повітрям). На висоті близько 50 км іонізуюче космічне випромінювання зумовлює наявність іоносфери - шару сильно іонізованого газу. Вимірювання показують, що між іоносферою і поверхнею Землі існує величезна різниця потенціалів (близько 5000000 В), причому іоносфера має позитивний по відношенню до замлю заряд. Наявність різниці потенціалів між Землею і "небом" призводить до появи струму дуже малої щільності (A / 
) Навіть у такому поганому провіднику як повітря. Повний струм, що приходить на поверхню планети, досить великий (бл. 
А), а виділювана їм потужність порівнянна з потужністю всіх побудованих електростанцій (Вт). Виникають природні запитання про механізм підтримки вказаної різниці потенціалів і про причини, за якими її наявність до цього часу ніяк не використовується людиною.
В даний час встановлено, що основним механізмом, заряджаючим "небо" відносно Землі є грози. Краплі води і кристали льоду, переміщаючись вниз до підстави грозової хмари збирають на собі наявні в атмосфері негативні заряди і тим самим заряджають нижню частину грозової хмари негативним електрикою до потенціалів, у багато разів перевершують потенціал Землі. У результаті між Землею і хмарою виникає дуже великий електричне поле, спрямоване в протилежну сторону в порівнянні з полем, що існує в безхмарну погоду. Поблизу виступаючих з поверхні Землі провідних предметів це поле ще посилюється і виявляється достатнім для іонізації газу, яка наростає в лавиноподібного законом. У результаті виникає дуже потужний електричний розряд, званий блискавкою. Всупереч існуючій думці, блискавка починається на Землі і б'є в хмару, а не навпаки.
Характерне для ясної погоди електричне поле напруженістю 100В / м не вдається не тільки використовувати, але навіть відчути, хоча на рівній зростанню людини висоті при його відсутності воно створює різницю потенціалів близько 200В. Причиною цього є низька провідність повітря і, як наслідок, малі щільності поточних на поверхню Землі струмів. Введення в електричний ланцюг хорошого провідника (людини), шунтуючого двометровий повітряний стовп, практично не змінює сумарного опору ланцюга "небо-Земля", ток у якій залишається незмінним. Викликаного їм падіння напруги на тілі людини складає близько U = IR = 0.2мкВ, що лежить значно нижче порога чутливості нашого організму.
Електричний струм у живих тканинах.
Важлива роль електричних імпульсів для життєдіяльності організмів передбачалася ще більше 200 років тому. Зараз відомо, що ці імпульси використовуються для забезпечення управління роботою органів і передачі інформації між ними в процесі життєдіяльності. Роль кабелів для передачі сигналів в складному "біологічне комп'ютері" грають нерви, основу яких складають вузько спеціалізовані клітини - нейрони. Основні функції цих клітин - прийом, обробка і посилення електричних сигналів. Нейрони зв'язуються один з одним в "мережу" за допомогою спеціальних подовжених виростів - аксонів, що виконують функції провідників. Дослідження поширення електричних сигналів в аксонах виконувались спільно біологами, хіміками і фізиками в 30-60 роках нашого століття і стали одним з перших вдалих прикладів плідної співпраці представників суміжних природничих наук.
Як виявилося, властивості електричних імпульсів, які поширюються в аксонах істотно відрізняються від звичних для електротехніки: 1) швидкість поширення імпульсів по аксону виявляється на кілька порядків менше характерних для металевих; 2) після проходження електричного імпульсу існує "мертвий" час, протягом якого поширення наступного імпульсу неможливо; 3) існує порогове значення напруги (імпульси з амплітудою нижче порогової не поширюються); 4) при повільному наростанні напруги навіть до перевищує поріг значення імпульс по аксону не передається ("акомодація").
Перераховані нехарактерні для традиційної електротехніки особливості провідності аксонів знайшли пояснення в рамках дуже специфічного електро-хімічного механізму, центральна роль в якому належить підлозі проникною для іонів клітинній мембрані, яка відділяє містить аномально високу концентрацію іонів K + і низьку - Na + внутрішній об'єм клітини (і її аксона) від навколишнього середовища, заповненої фізіологічним розчином. У результаті хаотичного теплового руху частинок через кордон між областями з різними концентраціями позитивних іонів виникають дифузійні потоки (K + - з клітки, Na + - всередину її), швидкості яких регулюються проникністю клітинної мембрани і електричної різницею потенціалів по обидві сторони від неї. Зміни проникності мембрани для кожного з іонів призводить до зміни кількості заряджених частинок, що перетинають кордон і, отже, до зміни електричного потенціалу аксона щодо зовнішнього середовища. Як показали досліди, провідність ділянки мембрани змінюється в залежності від прикладеної до нього різниці потенціалів. Т.ч. подається на ділянку аксона електричний імпульс змінює на невеликий час (залежне від властивостей аксона) провідність мембрани, що веде до перерозподілу зарядів, посилення імпульсу та формування його заднього фронту. При цьому аксон одночасно грає роль провідника і "підсилюють підстанцій - ретрансляторів", що дозволяє уникнути загасання сигналів, які передаються в організмі на досить великі відстані.
Цікаво, що вельми схожу проблему з тією, що була вирішена природою, незадовго до розкриття механізму провідності аксона довелося вирішувати в радіотехніці при спробі організувати транс Атлантичну кабельний зв'язок. Для того, щоб уникнути загасання і перекручування сигналу у довгій лінії, кабель довелося розділити на порівняно короткі ланки, між якими були поміщені підсилювачі. Досвід, накопичений фізиками при створенні довгих ліній кабельного зв'язку істотно полегшив вирішення проблеми про механізм електропровідності аксона.