Elektrik cərəyanı

Elektrik cərəyanının tərifi

Mis kimi bir keçiricinin içərisində yüksək sürətlə sərbəst və təsadüfi hərəkət edən, lakin metaldan çıxmayan elektronlar var. Sərbəst hərəkət edə bilən elektronlara sərbəst elektronlar deyilir. Elektronlar bütün istiqamətlərdə sərbəst hərəkət etsələr də, heç bir istiqamətdə elektronların xalis axını yoxdur. Bu vəziyyət mis məftilin iki ucu arasında potensial fərq olmadığı zaman baş verir.

Naqil elektrik mənbəyinə qoşulduqda, mis naqilinin iki ucu arasında potensiallar fərqi yaranır və beləliklə, mis naqildə elektrik sahəsi yaranır. Elektrik sahəsinin olması sərbəst elektronların F = q E = e E elektrik qüvvəsi ilə qarşılaşmasına səbəb olur , burada F = elektrik qüvvəsi, e = elektron yükü, E = elektrik sahəsi . Elektrik qüvvəsi bütün sərbəst hərəkət edən elektronların elektrik qüvvəsi ilə eyni istiqamətdə ortaq bir təcil almasına səbəb olur.

Birlikdə hərəkət edən bu sərbəst elektronlar mis məftildəki stasionar atomlar arasında yerləşir və bu da bütün elektronların bu atomlarla toqquşmasına səbəb olur. Bu toqquşmalar sərbəst elektronların hərəkət istiqamətini dəyişdirməsinə səbəb olur. Bütün bu elektronlar daim elektrik qüvvəsinə məruz qalır və bu da onların elektrik qüvvəsi ilə eyni istiqamətdə sürətlənməsinə səbəb olur. Bir anlıq hərəkət etdikdən sonra sərbəst elektronlar yenidən mis məftildəki atomlarla toqquşur. Lakin sərbəst elektronlar həmişə elektrik qüvvəsinə məruz qalır və bu da bütün elektronların yenidən sürətlənməsinə səbəb olur.

Beləliklə, müxtəlif istiqamətlərdə təsadüfi hərəkət etməklə yanaşı, bütün sərbəst elektronlar elektrik qüvvəsi istiqamətində və elektrik sahəsinin əks istiqamətində də yavaş-yavaş birlikdə hərəkət edirlər. Elektrik sahəsinin istiqaməti yüksək elektrik potensialından aşağı elektrik potensialına, elektronlar isə aşağı potensialdan yüksək potensiala doğru dəyişir. Hər bir sərbəst elektronun təsadüfi hərəkəti çox sürətlidir, sərbəst elektronların elektrik qüvvəsi istiqamətində kollektiv hərəkəti isə çox yavaş sürətə malikdir. Sərbəst elektronların elektrik qüvvəsi istiqamətində bu kollektiv hərəkəti həmçinin sürüşmə sürəti adlanır.

Elektrik cərəyanı, müəyyən bir zaman intervalı ərzində keçiricinin en kəsiyindən elektrik yükünün axması kimi müəyyən edilir . Konvensiyaya görə, elektrik cərəyanının istiqaməti müsbət yüklərin hərəkət istiqaməti ilə eynidir. Bu razılaşma, keçiricinin əslində hərəkət etdiyi şeyin sərbəst, mənfi yüklü elektronlar olduğu məlum olmamışdan əvvəl əldə edilmişdir. Bir keçiricinin elektron hərəkət istiqaməti elektrik cərəyanının istiqamətinin əksidir. Buna görə də, bir keçiricinin içində axan cərəyanı müzakirə edərkən, bu uyğunlaşmanın nəticəsi olduğu üçün ənənəvi cərəyan kimi də tanınan müsbət yüklərin axını nəzərdə tutulur.

Elektrik cərəyanının düsturu

Riyazi olaraq, elektrik cərəyanı aşağıdakı tənliklə ifadə olunur:
I = ΔQ / Δt
Düsturun təsviri: I = elektrik cərəyanı, ΔQ = elektrik yükünün miqdarı, Δt = zaman intervalı.

Elektrik cərəyanının ölçü vahidi

Elektrik yükünün vahidi Kulon, zaman vahidi saniyədir, ona görə də elektrik cərəyanının vahidi Kulon/saniyədir. Kulon/saniyə həmçinin Amper adlanır və fransız fiziki Andre Mari Amperin (1775-1836) adını daşıyır. 1 Amper = 1 Kulon/saniyə (1 A = 1 K/s). Başqa sözlə, 1 Amper elektrik cərəyanı 1 Kulon elektrik yükünün 1 saniyə ərzində naqilin en kəsiyi sahəsindən keçməsinə bərabərdir. Amperlə ifadə olunmaqla yanaşı, elektrik cərəyanı milliamperlərlə (1 mA = 10 ^-3 A), mikroamperlərlə (1 μA = 10 ^-6 A), nanoamperlərlə (1 nA = 10 ^-9 A) və ya pikoamperlərlə (1 pA = 10 ^-12 A) ifadə olunur.

Nümunə sual 1:

2 Amper cərəyan naqildən 8 saniyə ərzində keçir. Bir nöqtədən keçən yükün böyüklüyünü və həmin yükdəki elektronların sayını təyin edin!
Müzakirə
Məlumdur ki:
Elektrik cərəyanı (I) = 1 Amper
Zaman intervalı (t) = 2 saniyə
Soruşuldu: yük (Q) və elektronların sayı (e)
Cavab:
Elektrik cərəyanının düsturu:
I = Q/t
Düstur təsviri: I = elektrik cərəyanı, Q = elektrik yükü, t = zaman intervalı
Elektrik yükü:
Q = I t = (2 Amper)(8 saniyə) = 16 Kulon.

Bir elektronun yükü 1,6 x 10 ^{-19 Kulondur, buna görə də 16 Kulon yükünün 16 C / 1,6 x 10 -19} Kulon = 10 x 10 ¹⁹ elektron qədər elektronu var.

Elektrik cərəyanı, sürüşmə sürəti və cərəyan sıxlığı

En kəsiyi sahəsi A olan bir keçiricidə elektrik sahəsi E istiqamətində v sürüşmə sürəti ilə sağa doğru hərəkət edən müsbət yükü nəzərdən keçirin. Müsbət yük t zaman intervalında s = vt məsafə qət edir.

Əgər həcm başına düşən yüklü hissəciklərin sayı (yüklü hissəcik sıxlığı) n və keçiricinin həcmi A s = A vt olarsa, keçiricinin həcmindəki yüklü hissəciklərin sayı n A v t-dir. Əgər hər bir yüklü hissəciyin yükü q olarsa, t zaman intervalı ərzində keçiricinin ucundan keçən yük miqdarı Q = nq A v t-dir. Beləliklə, keçiricinin ucundan axan elektrik cərəyanı I = Q/t = nq A v-dir. A en kəsiyi sahəsinə düşən cərəyan sıxlığı və ya cərəyan isə J = I/A = nq v-dir. Belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, keçiricinin içində axan cərəyan yüklü hissəciklərin sıxlığının (n), hər bir hissəciyin yükünün böyüklüyünün (q), keçiricinin en kəsiyi sahəsinin (A) və yüklü hissəciklərin sürüşmə sürətinin (v) vurulmasının nəticəsidir.

Hər bir yüklü hissəciyin sürəti ilə bütün yüklü hissəciklərin sürüşmə sürəti arasındakı fərqi anlamaq üçün aşağıdakı nümunə məsələsini araşdırın.

Nümunə sual 2:

3 x 10 kəsişmə sahəsi olan mis teldə 10 Amper sabit cərəyan axır^-6 m²Sərbəst elektron sıxlığı 8,4 x 10-dur²⁸ elektron/m³Sərbəst elektronların sürüşmə sürətini təyin edin!
Müzakirə
Məlumdur ki:
Elektrik cərəyanı (I) = 10 Amper
Telin en kəsiyi sahəsi (A) = 3 x 10^-6 m²
Sərbəst elektron sıxlığı (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektron yükü (q) = 1,6 x 10^19- C
Soruşuldu: Sərbəst elektron sürüşmə sürəti (v)
Cavab:
Elektronların sürəti əvvəllər əldə edilmiş düsturla hesablanır:

Təsvir: I = elektrik cərəyanı, n = yüklü hissəciklərin sıxlığı = sərbəst elektronların sıxlığı, q = bir elektronun yükü, A = keçiricinin en kəsiyinin sahəsi, v = elektron sürüşmə sürəti

Elektron sürüşmə sürəti 0,248 x 10 ^-3 metr/saniyə = 0,248 millimetr/saniyədir.

Sərbəst elektronlar bir naqildə saniyədə 0,248 millimetr sürətlə hərəkət edirlər. Başqa sözlə, hər saniyədə bütün sərbəst elektronlar 0,248 millimetr hərəkət edir. Bu, çox yavaş bir sürətdir. Sərbəst elektronların hərəkəti bu qədər yavaşdırsa, açar işə salındıqdan sonra niyə elektrik işığı dərhal yanır?

Bunu anlamaq üçün keçiricidəki elektronların axınını şlanqdakı suyun axını kimi nəzərdən keçirin. Əgər şlanq su ilə doludursa, onda şlanqın bir ucu krana qoşulubsa, su dərhal digər ucundan axacaq. Eynilə, mis məftildə və lampa naqilində sərbəst elektronlar var. Açar işə salındıqda, işıq sürətinə yaxınlaşan sürətdə (işıq sürəti = 3 x 108 ^metr /saniyə) elektrik sahəsi yaranır və bu da sərbəst elektronların dərhal birlikdə hərəkət etməyə başlamasına səbəb olur. Lampa naqilində artıq sərbəst elektronlar var, ona görə də lampa dərhal yanır.