Электрычны ток

Вызначэнне электрычнага току

Унутры правадніка, напрыклад, медзі, ёсць электроны, якія свабодна і хаатычна рухаюцца з высокай хуткасцю, але не пакідаюць метал. Электроны, якія могуць свабодна рухацца, называюцца свабоднымі электронамі. Нягледзячы на ​​тое, што электроны свабодна рухаюцца ва ўсіх напрамках, няма ніякага рэзультатыўнага патоку электронаў у якім-небудзь канкрэтным кірунку. Гэты стан узнікае, калі няма рознасці патэнцыялаў паміж двума канцамі меднага дроту.

Калі провад падлучаны да крыніцы электрычнасці, паміж двума канцамі меднага провада ўзнікае рознасць патэнцыялаў, што стварае ў ім электрычнае поле. Прысутнасць электрычнага поля прымушае свабодныя электроны адчуваць электрычную сілу F = q E = e E, дзе F = электрычная сіла, e = зарад электрона, E = электрычнае поле . Электрычная сіла прымушае ўсе свабодна рухаючыяся электроны адчуваць агульнае паскарэнне ў тым жа кірунку, што і электрычная сіла.

Гэтыя свабодныя электроны, рухаючыся разам, знаходзяцца паміж нерухомымі атамамі ў медным дроце, у выніку чаго ўсе электроны сутыкаюцца з гэтымі атамамі. Гэтыя сутыкненні прымушаюць свабодныя электроны мяняць свой кірунак руху. Усе гэтыя электроны пастаянна падвяргаюцца ўздзеянню электрычнай сілы, што прымушае іх паскарацца ў тым жа кірунку, што і электрычная сіла. Пасля імгненнага руху свабодныя электроны зноў сутыкаюцца з атамамі ў медным дроце. Аднак свабодныя электроны заўсёды падвяргаюцца ўздзеянню электрычнай сілы, што прымушае ўсе электроны зноў паскарацца.

Такім чынам, акрамя таго, што ўсе свабодныя электроны рухаюцца хаатычна ў розных напрамках, яны таксама павольна рухаюцца разам у кірунку электрычнай сілы і ў процілеглым кірунку электрычнага поля. Кірунак электрычнага поля — ад высокага электрычнага патэнцыялу да нізкага, у той час як электроны рухаюцца ад нізкага патэнцыялу да высокага. Хаатычны рух кожнага свабоднага электрона мае вельмі вялікую хуткасць, у той час як калектыўны рух свабодных электронаў у кірунку электрычнай сілы мае вельмі павольную хуткасць. Гэты калектыўны рух свабодных электронаў у кірунку электрычнай сілы таксама называецца хуткасцю дрэйфу.

Электрычны ток вызначаецца як паток электрычнага зарада праз папярочны сячэнне правадніка на працягу пэўнага прамежку часу. Паводле ўмоўнага пагаднення, кірунак электрычнага току супадае з кірункам руху дадатных зарадаў. Гэта пагадненне было заключана да таго, як стала вядома, што ў правадніку рухаюцца свабодныя, адмоўна зараджаныя электроны. Кірунак руху электронаў у правадніку процілеглы кірунку электрычнага току. Такім чынам, калі абмяркоўваецца ток, які працякае ў правадніку, маецца на ўвазе паток дадатных зарадаў, таксама вядомы як звычайны ток, таму што ён з'яўляецца вынікам гэтага пагаднення.

Формула электрычнага току

Матэматычна электрычны ток выражаецца ўраўненнем:
I = ΔQ / Δt
Апісанне формулы: I = электрычны ток, ΔQ = колькасць электрычнага зарада, Δt = інтэрвал часу.

Адзінка электрычнага току

Адзінкай вымярэння электрычнага зарада з'яўляецца кулон, адзінкай часу — секунда, таму адзінкай вымярэння электрычнага току з'яўляецца кулон/секунда. Кулон/секунда таксама называецца амперам , у гонар французскага фізіка Андрэ Мары Ампера (1775-1836). 1 ампер = 1 кулон/секунда (1 А = 1 Кл/с). Іншымі словамі, электрычны ток у 1 ампер роўны электрычнаму зараду ў 1 кулон, які праходзіць праз плошчу папярочнага сячэння драты на працягу 1 секунды. Акрамя таго, што электрычны ток выражаецца ў амперах, ён таксама выражаецца ў міліамперах (1 мА = 10⁻³ ^А ), мікраамперах (1 мкА = 10⁻⁶ ^А ), нанаамперах (1 нА = 10⁻⁹ ^А ) або пікаамперах (1 пА = 10⁻¹2 ^А ).

Прыклад пытання 1:

Ток сілай 2 Амперы працякае па правадніку на працягу 8 секунд. Вызначце велічыню зарада, які праходзіць праз кропку, і колькасць электронаў у гэтым зарадзе!
Абмеркаванне
Вядома, што:
Электрычны ток (I) = 1 Ампер
Інтэрвал часу (t) = 2 секунды
Спыталі: зарад (Q) і колькасць электронаў (e)
Адказ:
Формула электрычнага току:
I = Q/t
Апісанне формулы: I = электрычны ток, Q = электрычны зарад, t = інтэрвал часу
Электрычны зарад:
Q = I t = (2 Амперы) (8 секунд) = 16 кулонаў.

Зарад аднаго электрона складае 1,6 x 10⁻¹⁹ ^{кулонаў} , таму зарад у 16 ​​кулонаў мае столькі ж электронаў, колькі і 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁹ ^{кулонаў} = 10 x ^10⁻¹⁹ электронаў.

Электрычны ток, хуткасць дрэйфу і шчыльнасць току

Разгледзім дадатны зарад, які рухаецца направа з хуткасцю дрэйфу v у напрамку электрычнага поля E ў правадніку з плошчай папярочнага сячэння A. Дадатны зарад перамяшчаецца на адлегласць s = vt за прамежак часу t.

Калі колькасць зараджаных часціц на адзінку аб'ёму (шчыльнасць зараджаных часціц) роўная n, а аб'ём правадніка As = A vt, то колькасць зараджаных часціц у аб'ёме правадніка роўная n A v t. Калі кожная зараджаная часціца мае зарад q, то колькасць зарада, які праходзіць праз канец правадніка за прамежак часу t, роўная Q = nq A v t. Такім чынам, электрычны ток, які працякае праз канец правадніка, роўная I = Q/t = nq A v. У той час як шчыльнасць току або ток на плошчу папярочнага сячэння A роўная J = I/A = nq v. Можна зрабіць выснову, што ток, які працякае ў правадніку, з'яўляецца вынікам памнажэння шчыльнасці зараджаных часціц (n), велічыні зарада кожнай часціцы (q), плошчы папярочнага сячэння правадніка (A) і хуткасці дрэйфу зараджаных часціц (v).

Вывучыце наступны прыклад задачы, каб зразумець розніцу паміж хуткасцю кожнай зараджанай часціцы і хуткасцю дрэйфу ўсіх зараджаных часціц.

Прыклад пытання 2:

Пастаянны ток сілай 10 Ампер працякае ў медным дроце з папярочным сячэннем 3 х 10^-6 m²Шчыльнасць свабодных электронаў складае 8,4 x 10²⁸ электронаў/м³Вызначце хуткасць дрэйфу свабодных электронаў!
Абмеркаванне
Вядома, што:
Электрычны ток (I) = 10 Ампер
Плошча папярочнага сячэння дроту (А) = 3 x 10^-6 m²
Шчыльнасць свабодных электронаў (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Зарад электрона (q) = 1,6 x 10^19- C
Спыталі: Хуткасць дрэйфу свабодных электронаў (v)
Адказ:
Хуткасць электронаў вылічваецца па раней атрыманай формуле:

Апісанне: I = электрычны ток, n = шчыльнасць зараджаных часціц = шчыльнасць свабодных электронаў, q = зарад аднаго электрона, A = плошча папярочнага сячэння правадніка, v = хуткасць дрэйфу электронаў

Хуткасць дрэйфу электронаў складае 0,248 х 10⁻³ ^метраў /секунду = 0,248 міліметра/секунду.

Свабодныя электроны рухаюцца разам у провадзе са хуткасцю 0,248 міліметра ў секунду. Іншымі словамі, кожную секунду ўсе свабодныя электроны рухаюцца на 0,248 міліметра. Гэта вельмі малая хуткасць. Калі рух свабодных электронаў такі павольны, чаму электрычная лямпачка ўключаецца адразу пасля ўключэння выключальніка?

Каб зразумець гэта, разгледзім паток электронаў у правадніку як паток вады ў шлангу. Калі шланг напоўнены вадой, то калі адзін канец шланга падключыць да крана, вада адразу ж пацячэ з другога канца. Падобным чынам, свабодныя электроны ёсць у медным дроце і дроце лямпачкі. Калі выключальнік уключаны, узнікае электрычнае поле з хуткасцю, якая набліжаецца да хуткасці святла (хуткасць святла = 3 х 10⁶ ^метраў /секунду), што прымушае свабодныя электроны адразу пачаць рухацца разам. У дроце лямпачкі ўжо ёсць свабодныя электроны, таму лямпачка адразу ўключаецца.