Definisie van elektriese stroom
Binne-in 'n geleier soos koper is daar elektrone wat vrylik en lukraak teen hoë snelhede beweeg, maar nie uit die metaal ontsnap nie. Elektrone wat vrylik kan beweeg, word vrye elektrone genoem. Alhoewel elektrone vrylik in alle rigtings beweeg, is daar geen netto vloei van elektrone in enige spesifieke rigting nie. Hierdie toestand vind plaas wanneer daar geen potensiaalverskil tussen die twee punte van die koperdraad is nie.
Wanneer die draad aan 'n elektriese bron gekoppel word, ontstaan 'n potensiaalverskil tussen die twee punte van die koperdraad, wat 'n elektriese veld in die koperdraad skep. Die teenwoordigheid van 'n elektriese veld veroorsaak dat vrye elektrone 'n elektriese krag F = q E = e E ervaar , waar F = elektriese krag, e = elektronlading, E = elektriese veld . Die elektriese krag veroorsaak dat alle vrylik bewegende elektrone 'n gemeenskaplike versnelling in dieselfde rigting as die elektriese krag ervaar.
Hierdie vrye elektrone, wat saam beweeg, is tussen die stilstaande atome in die koperdraad geleë, wat veroorsaak dat al die elektrone met hierdie atome bots. Hierdie botsings veroorsaak dat die vrye elektrone hul bewegingsrigting verander. Al hierdie elektrone word voortdurend aan 'n elektriese krag onderwerp, wat veroorsaak dat hulle in dieselfde rigting as die elektriese krag versnel. Nadat hulle vir 'n oomblik beweeg het, bots die vrye elektrone weer met die atome in die koperdraad. Die vrye elektrone word egter altyd aan 'n elektriese krag onderwerp, wat veroorsaak dat al die elektrone weer versnel.
Dus, benewens die willekeurige beweging in verskeie rigtings, beweeg alle vrye elektrone ook stadig saam in die rigting van die elektriese krag en in die teenoorgestelde rigting van die elektriese veld. Die rigting van die elektriese veld is van hoë elektriese potensiaal na lae elektriese potensiaal, terwyl die elektrone van lae potensiaal na hoë potensiaal beweeg. Die ewekansige beweging van elke vrye elektron het 'n baie vinnige spoed, terwyl die kollektiewe beweging van die vrye elektrone in die rigting van die elektriese krag 'n baie stadige spoed het. Hierdie kollektiewe beweging van die vrye elektrone in die rigting van die elektriese krag word ook dryfsnelheid genoem.
Elektriese stroom word gedefinieer as die vloei van elektriese lading deur 'n dwarssnit van 'n geleier oor 'n spesifieke tydsinterval. Volgens konvensie is die rigting van elektriese stroom dieselfde as die bewegingsrigting van positiewe ladings. Hierdie ooreenkoms is gemaak voordat dit bekend was dat wat eintlik in 'n geleier beweeg, vry, negatief gelaaide elektrone is. Die rigting van elektronbeweging in 'n geleier is teenoorgesteld aan die rigting van elektriese stroom. Daarom, wanneer die stroom wat in 'n geleier vloei bespreek word, word die vloei van positiewe ladings bedoel, ook bekend as konvensionele stroom omdat dit die gevolg van hierdie ooreenkoms is.
Elektriese stroomformule
Wiskundig word elektriese stroom uitgedruk deur die vergelyking:
Ek = ΔQ / Δt
Formulebeskrywing: I = elektriese stroom, ΔQ = hoeveelheid elektriese lading, Δt = tydsinterval.
Eenheid van elektriese stroom
Die eenheid van elektriese lading is die Coulomb, die eenheid van tyd is die sekonde, dus is die eenheid van elektriese stroom die Coulomb/sekonde. Coulomb/sekonde word ook Ampère genoem , vernoem na die Franse fisikus, André Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampère = 1 Coulomb/sekonde (1 A = 1 C/s). Met ander woorde, 'n elektriese stroom van 1 Ampère is gelyk aan 'n elektriese lading van 1 Coulomb wat vir 1 sekonde deur 'n dwarssnitarea van 'n draad beweeg. Behalwe dat dit in Ampère uitgedruk word, word elektriese stroom ook uitgedruk in milliampère (1 mA = 10-3 A ), mikroampère (1 μA = 10-6 A ), nanoampère (1 nA = 10-9 A ) of pikoampère (1 pA = 10-12 A ).
Voorbeeldvraag 1:
'n Stroom van 2 Ampère vloei vir 8 sekondes deur 'n draad. Bepaal die grootte van die lading wat deur 'n punt beweeg en die aantal elektrone in daardie lading!
Bespreking
Dit is bekend dat:
Elektriese stroom (I) = 1 Ampère
Tydsinterval (t) = 2 sekondes
Gevra: lading (Q) en aantal elektrone (e)
Antwoord:
Elektriese stroomformule:
Ek = Q/t
Formulebeskrywing: I = elektriese stroom, Q = elektriese lading, t = tydsinterval
Elektriese lading:
Q = I t = (2 Ampère)(8 sekondes) = 16 Coulomb.
Die lading van een elektron is 1,6 x 10⁻⁶ Coulomb , dus 'n lading van 16 Coulomb het soveel elektrone as 16 C / 1,6 x 10⁻⁶ Coulomb = 10 x 10⁻⁶ elektrone.
Elektriese stroom, drywingsnelheid en stroomdigtheid
Beskou 'n positiewe lading wat na regs beweeg met drywingspoed v in die rigting van 'n elektriese veld E in 'n geleier met dwarssnitarea A. Die positiewe lading beweeg 'n afstand s = vt gedurende 'n tydsinterval t.
As die aantal gelaaide deeltjies per volume (gelaaide deeltjiedigtheid) n is en die volume van die geleier A s = A vt is, dan is die aantal gelaaide deeltjies in die geleiervolume n A v t. As elke gelaaide deeltjie 'n lading van q het, dan is die hoeveelheid lading wat deur die punt van die geleier beweeg gedurende die tydsinterval t Q = nq A v t. Dus is die elektriese stroom wat deur die punt van die geleier vloei I = Q/t = nq A v. Terwyl die stroomdigtheid of stroom per dwarssnitarea A J = I/A = nq v is. Daar kan afgelei word dat die stroom wat in die geleier vloei die gevolg is van die vermenigvuldiging van die digtheid van gelaaide deeltjies (n), die grootte van die lading van elke deeltjie (q), die dwarssnitarea van die geleier (A) en die dryfspoed van die gelaaide deeltjies (v).
Bestudeer die volgende voorbeeldprobleem om die verskil tussen die spoed van elke gelaaide deeltjie en die dryfspoed van alle gelaaide deeltjies te verstaan.
Voorbeeldvraag 2:
'n Konstante stroom van 10 Ampère vloei deur 'n koperdraad met 'n deursnee-area van 3 x 10-6 m2Die vrye elektrondigtheid is 8,4 x 1028 elektrone/m3Bepaal die drywingspoed van die vrye elektrone!
Bespreking
Dit is bekend dat:
Elektriese stroom (I) = 10 Ampère
Draaddeursnitarea (A) = 3 x 10-6 m2
Vrye elektrondigtheid (n) = 8,4 x 1028 m-3
Elektronlading (q) = 1,6 x 10-19 C
Gevra: Vrye elektron dryfspoed (v)
Antwoord:
Die spoed van elektrone word bereken deur die voorheen afgeleide formule te gebruik:
Beskrywing: I = elektriese stroom, n = digtheid van gelaaide deeltjies = digtheid van vrye elektrone, q = lading van een elektron, A = dwarssnitarea van die geleier, v = elektrondryfspoed
Die elektrondryfspoed is 0,248 x 10-3 meter /sekonde = 0,248 millimeter/sekonde.
Vrye elektrone beweeg saam in 'n draad teen 'n spoed van 0,248 millimeter per sekonde. Met ander woorde, elke sekonde beweeg al die vrye elektrone 0,248 millimeter. Dit is 'n baie stadige spoed. As die beweging van vrye elektrone so stadig is, waarom skakel 'n elektriese lig onmiddellik aan nadat die skakelaar aangeskakel is?
Om dit te verstaan, beskou die vloei van elektrone in 'n geleier as die vloei van water in 'n slang. As die slang met water gevul is, sal water onmiddellik uit die ander kant vloei as die een punt van die slang aan 'n kraan gekoppel is. Net so is daar vrye elektrone in die koperdraad en die gloeilampdraad. Wanneer die skakelaar aangeskakel word, word 'n elektriese veld gegenereer met 'n spoed wat die spoed van lig nader (ligspoed = 3 x 108 meter /sekonde), wat veroorsaak dat die vrye elektrone onmiddellik saam begin beweeg. Daar is reeds vrye elektrone in die gloeilampdraad, so die gloeilamp skakel onmiddellik aan.
