Автономное электричество для частного дома, на даче, квартиры своими руками

Сегодня мы поговорим про автономное электричество, какое оно бывает, как оборудовать дом таким источником электроэнергии, как проводить подбор оптимальных систем. И самое главное, «стоит ли овчинка выделки».

Особенности подключения к сетям ЛЭП

Без электричества сейчас трудно представить комфортабельное жилье. Благодаря ему жилище освещается, обогревается, выполняется готовка пищи, и нагрев воды. Вот только далеко не всегда есть возможность обеспечить электричеством жилье, особенно если дом находится далеко от города.

Многим владельцам загородных домов и дачных участков, особенно если они находятся далеко от цивилизации, приходится решать вопрос с энергообеспечением дома.

Самым распространенным решением является подключение дома к сетям ЛЭП, однако они далеко не везде имеются или же ближайшая линия находится на приличном удалении от дома.

В таком случае обеспечение электричеством дома может оказаться очень дорогим удовольствием. Ведь придется согласовывать вопросы по поставкам этого источника энергии с соответствующими органами, оплачивать установку подстанции и опор ЛЭП для подведения к дому.

И особенно неприятно то, что приобретаемое оборудование, причем за немалые деньги (подстанция, провода, опоры) перейдут на баланс местных энергосетей, то есть владельцем всего будут являться они, а владельцу дома еще придется и платить за поставки электроэнергии.

Поэтому такой вариант для многих может стать нецелесообразным, достаточно хлопотным и дорогостоящим.

Автономные источники электроэнергии

Второй вариант обеспечить загородный дом электричеством – использовать автономные источники энергообеспечения. Такими источниками могут стать ветер, солнце, вода и горючие материалы.

Используя автономное энергообеспечение, владелец дома становится полностью независимым в плане получения электроэнергии для потребления.

Не требуется никаких согласований, протяжки ЛЭП и т. д. Конечно, получение электроэнергии все равно будет связано затратами. И на начальном этапе они будут достаточно весомыми, поскольку необходимое оборудование стоит немало.

В дальнейшем необходимо еще и проведение обслуживания всех составляющих системы энергообеспечения, но в итоге все окупиться.

Коротко рассмотрим самые распространенные автономные источники электроэнергии.

Солнечные панели

Сейчас все большую популярность завоевывают солнечные источники электроэнергии. Суть такого источника проста – имеются полупроводниковые фотоэлементы, в которых при попадании на них солнечных лучей генерируется электрический заряд.

Количество вырабатываемой энергии напрямую зависит от площади фотоэлементов, поэтому они собираются в панели.

Панель площадью в 1 м. кв. способна выдать 100 Ватт мощности с напряжением 20-25 В.

Чтобы полностью обеспечить дом электричеством площадь панелей должна быть значительной.

Из положительных качеств такого источника электроэнергии является его долговечность, полная экологичность, бесшумность.

Панели требуют минимум обслуживания, а электроэнергия, выработанная ими, является полностью бесплатной и доступной.

Но есть и недостатки. Для обеспечения электроэнергии в необходимом количестве, площадь панелей может достигать значительных размеров, которые еще нужно и правильно расположить.

Энергия эта непостоянна. В солнечные дни панели будут работать с максимальным выходом, но бывают же и пасмурные дни. Поэтому общее количество выработанной электрической энергии зависит от того, сколько солнечных дней в году в регионе, где располагается дом.

Еще один недостаток, причем весомый – это стоимость панелей. Цена за каждый Ватт выработанной энергии составляет сейчас примерно 1,5 $, то есть только за панели, вырабатывающие 1 кВт электроэнергии, придется выложить 1,5 тыс. долларов. А еще потребуется покупать и остальное оборудование, необходимое для работы системы.

Ветроэлектрические установки

Вторая по популярности автономная система энергообеспечения – ветряная. Для получения электроэнергии используются ветрогенераторы.

По сути, это обычные генераторы, на ротор которых надеты лопасти. За счет ветра ротор вращается и происходит генерация электричества.

Из положительных качеств ветрогенераторов отмечается достаточно компактные размеры, относительная бесшумность работы, экологичность, долговечность. Также существует возможность самодельного изготовления такого генератора.

Но недостатков у ветряной системы больше. Первый из них – стоимость, обойдутся ветряные генераторы не дешево.

Учитывая то, что КПД ветрогенераторов невысокая, то для полного обеспечения дома электричеством, потребуется установка трех и более ветряков небольшой мощности или же одного, но достаточно производительного. И в обоих случаях затраты на приобретение будут значительными.

Опять же необходимо учитывать и климатические условия. В зонах, где средний годовой показатель скорости ветра не превышает 8 м/с, использовать ветрогенераторы будет нецелесообразно, поскольку они неспособны будут работать в оптимальном режиме.

Стоит также учитывать, что в дни полнейшего безветрия можно остаться без электричества, поэтому использовать ветряную автономную систему энергообеспечения лучше, если имеется резервный источник электроэнергии.

Топливные генераторные установки

Резервным источником электроэнергии могут стать генераторы, работающие на жидком или газообразном топливе (бензин, дизтопливо, газ).

Здесь все просто: установка состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора. Двигатель вращает ротор, и генератор вырабатывает энергию.

Полностью автономной такую систему назвать нельзя, все-таки необходимо топливо, которое еще и дорожает постоянно. Но как резервный источник электроэнергии такие генераторные установки являются самыми оптимальными.

В случае, когда пасмурная погода стоит уже несколько дней или же наблюдается безветрие, всегда можно запустить генераторную установку для восполнения заряда батарей.

Из положительных качеств генераторных установок, работающих от топлива, отмечается постоянная доступность электроэнергии, такие установки сравнительно дешевые, они обеспечивают хороший выход энергии.

К недостаткам же их относится потребность в топливе, что обеспечивает постоянные затраты. Такие установки не могут работать длительный период, а двигатели внутреннего сгорания требуют технического обслуживания.

Также для использования генераторных установок необходимо отведение отдельного помещения и организацию отвода выхлопных газов, ну и, естественно, ни о какой экологичности и речи быть не может.

Гидроэлектростанции

Реже всего в качестве автономного источника питания используется гидроэлектростанция по одной простой причине, далеко не у всех возле дома протекает река или мощный ручей.

Суть работы такой станции заключается в том, что вода вращает лопасти турбины, за счет чего генератор вырабатывает электричество.

Положительные качества гидростанций таковы: стабильная подача энергии круглосуточно, поскольку вода в реке или ручье не замедляет скорость движения. Такие станции полностью экологичны, долговечны и практически не требуют обслуживания.

Главным же их недостатком является необходимость установки на берегу реки или возле ручья. При этом скорость движения воды должна быть высокая.

Гидростанция способна вырабатывать энергию и при медленном движении воды, но в таком случае река зимой будет покрываться льдом, и использовать станцию уже не получиться.

Большая же скорость воды будет являться гарантией того, что река или ручей не перемерзнут. Второй недостаток – стоимость станции.

И все же концепция обеспечения дома автономной системой энергообеспечения является перспективной и многие ею интересуются.

Выше мы рассмотрели основные виды источников электричества, но их одних недостаточно, чтобы в доме была электроэнергия.

Дополнительно стоит отметить, что эффективность любой автономной системы зависит от правильности расчетов.

Особенности установки и эксплуатации автономных источников

Перед тем как приобретать и устанавливать любую из систем, нужно правильно произвести все необходимые расчеты ведь со временем количество потребителей электроэнергии в доме может увеличиться, к примеру вы решите установить систему обогрева кровли и водостоков и это нужно учесть в расчетах.

Рассмотрим для начала на примере солнечной системы.

Солнечная автономная система.

Все расчеты нужно начинать с подсчетов суммарного потребления электроэнергии в доме, то есть подсчитать мощность всех потребителей. При этом важно их разделить.

Дело в том, что часть потребителей электроэнергии без проблем работают от сети с постоянным током и напряжением в 12 или 24 В. Такими потребителями могут быть те же светодиодные лампы, которые лучше установить вместо обычных ламп накаливания. Да и вообще, все работы следует начинать с оснащения дома экономичными потребителями электроэнергии.

Исходя из суммарной мощности потребления тока, производится подбор аккумуляторных батарей и инвертора. И только после этого переходят к подсчету количества солнечных панелей, а также подбора контроллера.

Можно и не заниматься вычислением площади солнечных панелей, емкостью АКБ и инвертора.

Многие производители предлагают уже готовые комплекты, включающие все необходимое оборудование. При приобретении такого комплекта достаточно знать только суммарное потребление электроэнергии.

Причем при выборе комплекта важно учитывать, чтобы у него имелся некий запас по мощности, чтобы вся система не работала на предельных значениях. Общая стоимость такой системы во многом зависит от ее мощности.

Монтаж солнечной батареи несложен.

Достаточно правильно выбрать место установки панелей, контроллера, АКБ и инвертора. Затем следует все правильно подсоединить.

Что касается техники безопасности при использовании такой системы, то сводится она к правильности размещения АКБ. Они хоть и являются герметичными и необслуживаемыми, но для них лучше отвести отдельное помещение, причем вентилируемое.

Важно обратить внимание на надежность крепления всех составных элементов, использование соответствующей проводки и правильности подключения элементов в систему.

Ветряная система.

С расчетов начинается и установка ветрогенераторов. Все начинается с расчета суммарной мощности потребителей электроэнергии. Исходя из этого уже и подбирается комплект, включающий все необходимое – ветроэлектрическую установку (ВЭУ), контроллер, АКБ, инвертор и остальные комплектующие.

При использовании такой системы важно подобрать место установки ВЭУ. Ветряки при работе издают шум, хоть и несильный, поэтому рекомендуется их устанавливать на определенном удалении от дома.

Что касается безопасности, то здесь все сводится к правильному монтажу мачты ВЭУ, поскольку она достаточно высокая.

Далее же безопасность сводится к правильному подключению и эксплуатации системы.

Топливные генераторные установки.

Генераторные установки – самые простейшие по монтажу. После подсчета суммарного потребления электроэнергии просто подбирается необходимая по мощности станция, работающая на предпочтительном для владельца дома топливе.

Оборудуются генераторно-аккумуляторные-инверторные системы.

Но обычно такие станции продаются отдельно, поэтому придется правильно подобрать контроллер, комплект АКБ и инвертор.

При использовании такой системы условия безопасности строже, чем у других систем.

Во-первых, генераторную установку необходимо устанавливать в отдельном помещении.

Во-вторых, должна быть организована система отвода отработанных газов.

В-третьих, должна соблюдаться правильность хранения горючих материалов.

Системы энергообеспечения, в которых используется гидроэлектростанции, рассматривать не будем, поскольку они применяются редко.

Подбор оптимальной системы

Теперь немного о том, какую систему лучше использовать в разных случаях.

На дачном участке или загородном доме можно использовать любое автономное энергообеспечение. Все зависит от климатических условий.

В южных регионах, где много солнечных дней в году, предпочтительнее использовать солнечную систему энергообеспечения, в северных же районах – ветряную.

При этом лучше сразу делать комбинированную систему, чтобы имелся резервный источник питания, и для этого отлично подходят установки, работающие на топливе.

Что же касается городских условий, то для автономного обеспечения энергией квартиры подойдут только солнечная и ветряная системы, основные элементы которой (панели, ВЭУ) можно установить на крыше здания.

Другие же автономные системы в квартирных условиях использовать не получится.

Важно знать: Правила монтажа электропроводки в деревянном доме.

Подводим итог

Автономное электричество в доме является достаточно интересным решением. Но стоимость его пока достаточно высока, поэтому не всем будет по карману.

Но с другой стороны, при отсутствии подключения к промышленным ЛЭП, и больших расстояниях до цивилизации, лучше все же потратиться на автономное энергообеспечение, чем протянуть новую линию. Но в каждом отдельном случае хозяин дома принимает решение сам.

90000 Electricity And Conduction Of Electricity 90001 90002 90003 90004 90003 90002 90003 90008 Classes 90002 90003 Class 1 — 3 90004 90003 Class 4 — 5 90004 90003 Class 6 — 10 90004 90003 Class 11 — 12 90004 90018 90004 90003 90008 COMPETITIVE EXAMS 90002 90003 BNAT 90004 90003 90008 CBSE 90002 90003 90008 NCERT Books 90002 90003 NCERT Books for Class 5 90004 90003 NCERT Books Class 6 90004 90003 NCERT Books for Class 7 90004 90003 NCERT Books for Class 8 90004 90003 NCERT Books for Class 9 90004 90003 NCERT Books for Class 10 90004 90003 NCERT Books for Class 11 90004 90003 NCERT Books for Class 12 90004 90018 90004 90003 90008 NCERT Exemplar 90002 90003 NCERT Exemplar Class 8 90004 90003 NCERT Exemplar Class 9 90004 90003 NCERT Exemplar Class 10 90004 90003 NCERT Exemplar Class 11 90004 90003 NCERT Exemplar Class 12 90004 90018 90004 90003 90008 RS Aggarwal 90002 90003 RS Aggarwal Class 12 Solutions 90004 90003 RS Aggarwal Class 11 Solutions 90004 90003 RS Aggarwal Class 10 Solutions 90004 90 003 RS Aggarwal Class 9 Solutions 90004 90003 RS Aggarwal Class 8 Solutions 90004 90003 RS Aggarwal Class 7 Solutions 90004 90003 RS Aggarwal Class 6 Solutions 90004 90018 90004 90003 90008 RD Sharma 90002 90003 RD Sharma Class 6 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 7 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 8 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 9 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 10 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 11 Solutions 90004 90003 RD Sharma Class 12 Solutions 90004 90018 90004 90003 90008 PHYSICS 90002 90003 Mechanics 90004 90003 Optics 90004 90003 Thermodynamics 90004 90003 Electromagnetism 90004 90018 90004 90003 90008 CHEMISTRY 90002 90003 Organic Chemistry 90004 90003 Inorganic Chemistry 90004 90003 Periodic Table 90004 90018 90004 90003 90008 MATHS 90002 90003 Pythagoras Theorem 90004 90003 Prime Numbers 90004 90003 Probability and Statistics 90004 90003 Fractions 90004 90003 Sets 90004 90003 Trigonometric Functions 90004 90003 Relations and Functions 90004 90003 Sequence and Series 90004 90003 Multiplication Tables 90004 90003 Determinants and Matrices 90004 90003 Profit And Loss 90004 90003 Polynomial Equations 90004 90003 Dividing Fractions 90004 90018 90004 90003 90008 BIOLOGY 90002 90003 Microbiology 90004 90003 Ecology 90004 90003 Zoology 90004 90018 90004 90003 90008 FORMULAS 90002 90003 Maths Formulas 90004 90003 Algebra Formulas 90004 90003 Trigonometry Formulas 90004 90003 Geometry Formulas 90004 90018 90004 90003 90008 CALCULATORS 90002 90003 Maths Calculators 90004 90003 Physics Calculators 90004 90003 Chemistry Calculators 90004 90018 90004 90003 90008 CBSE Sample Papers 90002 90003 CBSE Sample Papers for Class 6 90004 90003 CBSE Sample Papers for Class 7 90004 90003 CBSE Sample Papers for Class 8 90004 90003 CBSE Sample Papers for Class 9 90004 90003 CBSE Sample Papers for Class 10 90004 90003 CBSE Sample Papers for Class 11 90004 90003 CBSE Sample Pa pers for Class 12 90004 90018 90004 90003 90008 CBSE Previous Year Question Paper 90002 90003 CBSE Previous Year Question Papers Class 10 90004 90003 CBSE Previous Year Question Papers Class 12 90004 90018 90004 90003 90008 HC Verma Solutions 90002 90003 HC Verma Solutions Class 11 Physics 90004 90003 HC Verma Solutions Class 12 Physics 90004 90018 90004 90003 90008 Lakhmir Singh Solutions 90002 90003 Lakhmir Singh Class 9 Solutions 90004 90003 Lakhmir Singh Class 10 Solutions 90004 90003 Lakhmir Singh Class 8 Solutions 90004 90018 90004 90003 90008 CBSE Notes 90002 90003 Class 6 CBSE Notes 90004 90003 Class 7 CBSE Notes 90004 90003 Class 8 CBSE Notes 90004 90003 Class 9 CBSE Notes 90004 90003 Class 10 CBSE Notes 90004 90003 Class 11 CBSE Notes 90004 90003 Class 12 CBSE Notes 90004 90018 90004 90003 90008 CBSE Revision Notes 90002 90003 90004 90018 90004 90018 90004 90018 90004 90018 90004 90018 .90000 Electrical conduction 90001 90002 90003 90004 2 90005 90006 90007 Source of Human Heartbeat Revealed in 3-D 90008 90003 Aug. 4 2017 A new way of producing 3-D data has been developed to show the cardiac conduction system — the special cells that enable our hearts to beat — in unprecedented … 90006 90002 90007 A Milestone in Petahertz Electronics 90008 90003 Mar. 12, 2018 In a semiconductor, electrons can be excited by absorbing laser light.Advances during the past decade enabled measuring this fundamental physical mechanism on timescales below a femtosecond. Now … 90006 90002 90007 Scientists Image Conducting Edges in a Promising 2D Material 90008 90003 Feb. 8, 2019 Researchers have directly imaged ‘edge conduction’ in monolayer tungsten ditelluride, a newly discovered 2D topological insulator and quantum material. The research makes it possible to … 90006 90002 90007 Getting Through the Bottleneck — A New Class of Layered Perovskite With High Oxygen-Ion Conductivity 90008 90003 Apr.27, 2020 Scientists have discovered a layered perovskite that shows unusually high oxide-ion conductivity, based on a new screening method and a new design concept. Such materials are hard to come by, so the … 90006 90002 90007 High-Efficiency Thermoelectric Materials: New Insights Into Tin Selenide 90008 90003 Apr. 24, 2019 Measurements at the BESSY II and PETRA IV synchrotron sources show that tin selenide can also be utilized as a thermoelectric material at room temperature — so long as high pressure is… 90006 90002 90007 New Quantum Switch Turns Metals Into Insulators 90008 90003 Feb. 3, 2020 Researchers have demonstrated an entirely new way to precisely control electrical currents by leveraging the interaction between an electron’s spin and its orbital rotation around the … 90006 90002 90007 Simulations Document Self-Assembly of Proteins and DNA 90008 90003 Mar. 28, 2018 What makes particles self-assemble into complex biological structures? Often, this phenomenon is due to the competition between forces of attraction and repulsion, produced by electrical charges in… 90006 90002 90007 Rules for Superconductivity Mirrored in ‘Excitonic Insulator’ 90008 90003 Dec. 7 2017 Physicists dedicated to creating the working components of a fault-tolerant quantum computer have succeeded in creating an ‘excitonic insulator,’ a previously unseen state of matter that … 90006 90002 90007 Thermoelectric Power Generation at Room Temperature: Coming Soon? 90008 90003 Dec. 26 2017 A research team has created a thermoelectric material with promising performance at room temperature.Ytterbium silicide is a good electrical conductor. It also has a high Seebeck coefficient thanks … 90006 90002 90007 More Electronic Materials Opened Up With New Metal-Organic Framework 90008 90003 Dec. 15 2017 More materials for electronic applications could be identified, thanks to the discovery of a new metal-organic framework (MOF) that displays electrical semiconduction with a record high … 90006 90002 .90000 electricity | Definition, Facts, & Types 90001 90002 Electrostatics is the study of electromagnetic phenomena that occur when there are no moving charges-i.e., After a static equilibrium has been established. Charges reach their equilibrium positions rapidly because the electric force is extremely strong. The mathematical methods of electrostatics make it possible to calculate the distributions of the electric field and of the electric potential from a known configuration of charges, conductors, and insulators.Conversely, given a set of conductors with known potentials, it is possible to calculate electric fields in regions between the conductors and to determine the charge distribution on the surface of the conductors. The electric energy of a set of charges at rest can be viewed from the standpoint of the work required to assemble the charges; alternatively, the energy also can be considered to reside in the electric field produced by this assembly of charges. Finally, energy can be stored in a capacitor; the energy required to charge such a device is stored in it as electrostatic energy of the electric field.90003 90004 Examine what happens to the electrons of two neutral objects rubbed together in a dry environment 90005 Explanation of static electricity and its manifestations in everyday life. 90006 Encyclopædia Britannica, Inc. 90007 See all videos for this article 90002 Static electricity is a familiar electric phenomenon in which charged particles are transferred from one body to another. For example, if two objects are rubbed together, especially if the objects are insulators and the surrounding air is dry, the objects acquire equal and opposite charges and an attractive force develops between them.The object that loses electrons becomes positively charged, and the other becomes negatively charged. The force is simply the attraction between charges of opposite sign. The properties of this force were described above; they are incorporated in the mathematical relationship known as Coulomb’s law. The electric force on a charge 90009 Q 90010 90011 1 90012 under these conditions, due to a charge 90009 Q 90010 90011 2 90012 at a distance 90009 r 90010, is given by Coulomb’s law, 90003 90002 The bold characters in the equation indicate the vector nature of the force, and the unit vector 90009 90004 r 90005 90010 is a vector that has a size of one and that points from charge 90009 Q 90010 90011 2 90012 to charge 90009 Q 90010 90011 1 90012.The proportionality constant 90009 k 90010 equals 10 90035 -7 90036 90009 c 90010 90035 2 90036, where 90009 c 90010 is the speed of light in a vacuum; 90009 k 90010 has the numerical value of 8.99 × 10 90035 9 90036 newtons-square metre per coulomb squared (Nm 90035 2 90036 / C 90035 2 90036). Figure 1 shows the force on 90009 Q 90010 90011 1 90012 due to 90009 Q 90010 90011 2 90012. A numerical example will help to illustrate this force. Both 90009 Q 90010 90011 1 90012 and 90009 Q 90010 90011 2 90012 are chosen arbitrarily to be positive charges, each with a magnitude of 10 90035 -6 90036 coulomb.The charge 90009 Q 90010 90011 1 90012 is located at coordinates 90009 x 90010, 90009 y 90010, 90009 z 90010 with values ​​of 0.03, 0, 0, respectively, while 90009 Q 90010 90011 2 90012 has coordinates 0, 0.04, 0. All coordinates are given in metres. Thus, the distance between 90009 Q 90010 90011 1 90012 and 90009 Q 90010 90011 2 90012 is 0.05 metre. 90003 90004 electric force between two charges 90005 Figure 1: Electric force between two charges. 90006 Courtesy of the Department of Physics and Astronomy, Michigan State University 90007 Get exclusive access to content from our тисяча сімсот шістьдесят вісім First Edition with your subscription.Subscribe today 90002 The magnitude of the force 90009 90004 F 90005 90010 on charge 90009 Q 90010 90011 1 90012 as calculated using equation (1) is 3.6 newtons; its direction is shown in Figure 1. The force on 90009 Q 90010 90011 2 90012 due to 90009 Q 90010 90011 1 90012 is — 90009 90004 F 90005 90010, which also has a magnitude of 3.6 newtons; its direction, however, is opposite to that of 90009 90004 F 90005 90010. The force 90009 90004 F 90005 90010 can be expressed in terms of its components along the 90009 x 90010 and 90009 y 90010 axes, since the force vector lies in the 90009 x 90010 90009 y 90010 plane.This is done with elementary trigonometry from the geometry of Figure 1, and the results are shown in Figure 2. Thus, in newtons. Coulomb’s law describes mathematically the properties of the electric force between charges at rest. If the charges have opposite signs, the force would be attractive; the attraction would be indicated in equation (1) by the negative coefficient of the unit vector 90009 90004 r. 90005 90010 Thus, the electric force on 90009 Q 90010 90011 1 90012 would have a direction opposite to the unit vector 90009 90004 r 90005 90010 and would point from 90009 Q 90010 90011 1 90012 to 90009 Q 90010 90011 2 90012.In Cartesian coordinates, this would result in a change of the signs of both the 90009 x 90010 and 90009 y 90010 components of the force in equation (2). 90003 90004 components of Coulomb force 90005 Figure 2: The 90009 x 90010 and 90009 y 90010 components of the force 90009 90004 F 90005 90010 in Figure 4 (see text). 90006 Courtesy of the Department of Physics and Astronomy, Michigan State University 90007 90002 How can this electric force on 90009 Q 90010 90011 1 90012 be understood? Fundamentally, the force is due to the presence of an electric field at the position of 90009 Q 90010 90011 1 90012.The field is caused by the second charge 90009 Q 90010 90011 2 90012 and has a magnitude proportional to the size of 90009 Q 90010 90011 2 90012. In interacting with this field, the first charge some distance away is either attracted to or repelled from the second charge, depending on the sign of the first charge. 90003 .90000 Electrical conduction 90001 90002 90003 Electrical conduction 90004 is the movement of electrically charged particles through a transmission medium (electrical conductor). The movement of charge constitutes an electric current. The charge transport may result as a response to an electric field, or as a result of a concentration gradient in carrier density, that is, by diffusion. The physical parameters governing this transport depend upon the material. 90005 90002 Conduction in metals and resistors is well described by Ohm’s Law, which states that the current is proportional to the applied electric field.The ease with which current density (current per unit area) «j» appears in a material is measured by the conductivity «σ», defined as: 90005 90002: 90003 j 90004 = «σ» 90003 E 90004 90005 90002 or its reciprocal resistivity «ρ»: 90005 90002: 90003 j 90004 = 90003 E 90004 / «ρ» 90005 90002 Conduction in semiconductor devices may occur by a combination of electric field (drift) and diffusion. The current density is then 90005 90002: 90003 j 90004 = «σ» 90003 E 90004 + 90003 D ∇ 90004 qn » ‘90005 90002 with» q «the elementary charge and» n «the electron density.The carriers move in the direction of decreasing concentration, so for electrons a positive current results for a positive density gradient. If the carriers are holes, replace electron density «n» by the negative of the hole density «p». 90005 90002 In linear anisotropic materials, «σ», «ρ» and «D» are tensors. 90005 90002 90037 olids (including insulating solids) 90038 90005 90002 In crystalline solids, 90003 atoms 90004 interact with their neighbors, and the energy levels of the electrons in isolated atoms turn into 90003 bands 90004.Whether a material conducts or not is determined by its band structure and the occupancy of these bands as determined by the Fermi level. Electrons, being fermions, follow the Pauli exclusion principle, meaning that two electrons in the same interacting system can not occupy the same state, which further means that their four quantum numbers have to be different. Thus electrons in a solid fill up the energy bands up to a certain level, called the Fermi energy. Bands which are completely full of electrons can not conduct electricity, because there is no state of nearby energy to which the electrons can jump.Materials in which all bands are full (i.e. the Fermi energy is between two bands) are insulators. In some cases, however, the band theory breaks down and materials that are predicted to be conductors by band theory turn out to be insulators. Mott insulators and charge transfer insulators are two such classes of insulators. 90005 90002 90037 Metals 90038 90005 90002 Metals are good conductors of electricity and heat because they have unfilled space in the valence energy band. (The Fermi level dictates only partial occupancy of the band.) In the absence of an electric field, «conduction electrons» travel in all directions at very high velocities. Even at the coldest possible temperature — absolute zero — conduction electrons can still travel at the «Fermi velocity» (the velocity of electrons at the Fermi energy). When an electric field is applied, a slight imbalance develops and mobile electrons flow. Electrons in this band can be accelerated by the «field» because there are plenty of nearby unfilled states in the band. 90005 90002 Resistance comes about in a metal because of the scattering of electrons from defects in the lattice or by phonons.2 au} {m} 90005 90002 where «n» is the density of conduction electrons, «e» is the electron charge, and «m» is the electron mass. A better model is the so-called semi-classical theory, in which the effect of the periodic potential of the lattice on the electrons gives them an effective mass (ref. Band theory). 90005 90002 90037 emiconductors 90038 90005 90002 The Fermi level in a semiconductor is placed so all bands are either full or empty. A solid with no partially filled bands is an insulator, but at finite temperature, electrons can be thermally excited from the filled valence band to the next highest, the empty conduction band.The fraction of electrons excited in this way depends on the temperature and the band gap, the energy difference between the two bands. Exciting these electrons into the conduction band leaves behind positively charged holes in the valence band, which also can conduct electricity. 90005 90002 In semiconductors, impurities greatly affect the concentration and type of charge carriers. Donor (n-type) impurities have extra valence electrons with energies very close to the conduction band which can be easily thermally excited to the conduction band.Acceptor (p-type) impurities capture electrons from the valence band, allowing the easy formation of holes. If an insulator is doped with enough impurities, a Mott transition can occur, and the insulator turns into a conductor. 90005 90002 90037 uperconductors 90038 90005 90002 Superconductors are perfect conductors below a certain material-specific critical temperature and external magnetic field. In metals and certain other materials, a transition to the superconducting state occurs at low (sub-cryogenic) temperature.By an interaction mediated by some other part of the system (in metals, phonons), the electrons pair up into 90003 Cooper pairs 90004. The bosonic Cooper pairs form a superfluid which has zero resistance. See BCS theory. 90005 90002 90037 Electrolytes 90038 90005 90002 Electric currents in electrolytes are flows of electrically charged atoms (ions). For example, if an electric field is placed across a solution of Na 90079 + 90080 and Cl 90079 & ndash; 90080, the sodium ions will move constantly towards the negative electrode (anode), while the chloride ions will move towards the positive electrode (cathode).If the conditions are right, redox reactions will take place at the electrode surfaces, releasing electrons from the chloride, and allow electrons to be absorbed into the sodium. 90005 90002 Water-ice and certain solid electrolytes called proton conductors contain positive hydrogen ions which are free to move. In these materials, currents of electricity are composed of moving protons (as opposed to the moving electrons found in metals). 90005 90002 In certain electrolyte mixtures, populations of brightly-colored ions form the moving electric charges.The slow migration of these ions during an electric current is one example of a situation where a current is directly visible to human eyes. 90005 90002 90037 Gases and plasmas 90038 90005 90002 In air, and other ordinary gases below the breakdown field, the dominant source of electrical conduction is via a relatively small number of mobile ions produced by radioactive gases, ultraviolet light, or cosmic rays. Since the electrical conductivity is extremely low, gases are dielectrics or insulators.However, once the applied electric field approaches the breakdown value, free electrons become sufficiently accelerated by the electric field to create additional free electrons by colliding, and ionizing, neutral gas atoms or molecules in a process called avalanche breakdown. The breakdown process forms a plasma that contains a significant number of mobile electrons and positive ions, causing it to behave as an electrical conductor. In the process, it forms a light emitting conductive path, such as a spark, arc or lightning.90005 90002 Plasma is the state of matter where some of the electrons in a gas are stripped or «ionized» from their molecules or atoms. A plasma can be formed by high temperature, or by application of a high electric or alternating magnetic field as noted above. Due to their lower mass, the electrons in a plasma accelerate more quickly in response to an electric field than the heavier positive ions, and hence carry the bulk of the current. 90005 90002 90037 Vacuum 90038 90005 90002 Since a «perfect vacuum» contains no charged particles, vacuums normally behave as perfect insulators (they would be the greatest insulators known) However, metal electrode surfaces can cause a region of the vacuum to become conductive by injecting free electrons or ions through either field emission or thermionic emission.Thermionic emission occurs when the thermal energy exceeds the metal’s work function, while field emission occurs when the electric field at the surface of the metal is high enough to cause tunneling, which results in the ejection of free electrons from the metal into the vacuum. Externally heated electrodes are often used to generate an electron cloud as in the filament or indirectly heated cathode of vacuum tubes. Cold electrodes can also spontaneously produce electron clouds via thermionic emission when small incandescent regions (called 90003 cathode spots 90004 or 90003 anode spots 90004) are formed.These are incandescent regions of the electrode surface that are created by a localized high current flow. These regions may be initiated by field emission, but are then sustained by localized thermionic emission once a vacuum arc forms. These small electron-emitting regions can form quite rapidly, even explosively, on a metal surface subjected to a high electrical field. Vacuum tubes and sprytrons are some of the electronic switching and amplifying devices based on vacuum conductivity. 90005 90002 90037 ee also 90038 90005 90002 * Voltage drop 90005 90002 90037 References 90038 90005 90002 90117 Wikimedia Foundation.2010. 90118 90005.