Електрически ток

Определение за електрически ток

Вътре в проводник като мед има електрони, които се движат свободно и произволно с високи скорости, но не излизат от метала. Електроните, които могат да се движат свободно, се наричат ​​свободни електрони. Въпреки че електроните се движат свободно във всички посоки, няма общ поток от електрони в която и да е конкретна посока. Това състояние възниква, когато няма потенциална разлика между двата края на медния проводник.

Когато проводникът е свързан към източник на захранване, между двата края на медния проводник възниква потенциална разлика, като по този начин се създава електрическо поле вътре в медния проводник. електрическо поле причинява появата на свободни електрони електрическа сила F = q E = e E, където F = електрическа сила, e = заряд на електрона, E = електрическо полеЕлектрическата сила кара всички свободно движещи се електрони да изпитват общо ускорение в същата посока като електрическата сила.

Тези свободни електрони, движещи се заедно, се намират между неподвижните атоми в медната жица, което кара всички електрони да се сблъскват с тези атоми. Тези сблъсъци карат свободните електрони да променят посоката си на движение. Всички тези електрони са постоянно подложени на електрическа сила, което ги кара да се ускоряват в същата посока като електрическата сила. След като се движат за момент, свободните електрони се сблъскват отново с атомите в медната жица. Свободните електрони обаче винаги са подложени на електрическа сила, което кара всички електрони да се ускоряват отново.

Така че, освен че се движат произволно в различни посоки, всички свободни електрони също се движат заедно бавно в посока на електрическата сила и в обратна посока на електрическото поле. Посоката на електрическото поле е от висок електрически потенциал към нисък електрически потенциал, докато електроните се движат от нисък потенциал към висок потенциал. Произволяващо движение на всеки свободен електрон има много висока скорост, докато колективното движение на свободните електрони в посока на електрическата сила има много бавна скорост. Това колективно движение на свободните електрони в посока на електрическата сила се нарича още скорост на дрейф.

Електрическият ток се определя като поток на електрически заряд преминаване през напречно сечение на проводник за определен интервал от време. По общоприето е, че посоката на електрическия ток е същата като посоката на движение на положителния заряд. Това споразумение е направено преди да се знае, че това, което всъщност се движи в проводника, са свободни електрони с отрицателен електрически заряд. Посоката на движение на електроните в проводника е противоположна на посоката на електрическия ток. Следователно, когато се обсъжда токът, протичащ в проводник, се има предвид потокът на положителен заряд, известен още като конвенционален ток, защото е резултат от това споразумение.

Формула за електрически ток

Математически, електрическият ток се изразява с уравнението:
I = ΔQ / Δt
Описание на формулата: I = електрически ток, ΔQ = количество електрически заряд, Δt = интервал от време.

Единица за електрически ток

Единицата за електрически заряд е кулон, единицата за време е секунда, следователно единицата за електрически ток е кулон/секунда. Кулон/секунда се нарича още ампер, името на френския физик Андре Мари Ампер (1775-1836). 1 ампер = 1 кулон/секунда (1 A = 1 C/s). С други думи, електрически ток от 1 ампер е равен на електрически заряд от 1 кулон, преминаващ през напречно сечение на проводник за 1 секунда. Освен че се изразява в ампери, електрическият ток се изразява и в милиампери (1 mA = 10^-3 A), микроампери (1 μA = 10^-6 A), наноампери (1 nA = 10^-9 A) или пикоампери (1 pA = 10^-12 A).

Примерен въпрос 1:

Ток от 2 ампера протича през проводник в продължение на 8 секунди. Определете големината на заряда, преминаващ през точка, и броя на електроните в този заряд!
Дискусия
Известно е, че:
Електрически ток (I) = 1 ампера
Времеви интервал (t) = 2 секунди
Попитано: заряд (Q) и брой електрони (e)
Отговор:
Формула за електрически ток:
I = Q/t
Описание на формулата: I = електрически ток, Q = електрически заряд, t = интервал от време
Електрически заряд:
Q = I t = (2 ампера)(8 секунди) = 16 кулона.

Зарядът на един електрон е 1,6 x 10^-19 Кулон, така че заряд от 16 кулона има 16 C / 1,6 x 10 електрона^-19 Кулон = 10 x 10¹⁹ електрон.

Електрически ток, скорост на дрейф и плътност на тока

Да разгледаме положителен заряд, движещ се надясно със скорост на дрейф v по посока на електрическо поле E в проводник с площ на напречното сечение A. Положителният заряд се премества на разстояние s = vt за интервал от време t.

Ако броят на заредените частици на обем (плътност на заредените частици) е n и обемът на проводника е As = A vt, тогава броят на заредените частици в обема на проводника е n A v t. Ако всяка заредена частица има заряд q, тогава количеството заряд, което преминава през края на проводника през интервала от време t, е Q = nq A v t. Следователно електрическият ток, протичащ през края на проводника, е I = Q/t = nq A v. Докато плътността на тока или токът на площ на напречното сечение A е J = I/A = nq v. Може да се заключи, че токът, протичащ в проводника, е резултат от умножението на плътността на заредените частици (n), големината на заряда на всяка частица (q), площта на напречното сечение на проводника (A) и скоростта на дрейф на заредените частици (v).

Разгледайте следния примерен проблем, за да разберете разликата между скоростта на всяка заредена частица и скоростта на дрейф на всички заредени частици.

Примерен въпрос 2:

Постоянен ток от 10 ампера тече в меден проводник с напречно сечение 3 x 10^-6 m²Плътността на свободните електрони е 8,4 x 10²⁸ електрони/м³Определете скоростта на дрейф на свободните електрони!
Дискусия
Известно е, че:
Електрически ток (I) = 10 ампера
Площ на напречното сечение на проводника (A) = 3 x 10^-6 m²
Плътност на свободните електрони (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Електронен заряд (q) = 1,6 x 10^-19 C
Попитано: Скорост на дрейф на свободни електрони (v)
Отговор:
Скоростта на електроните се изчислява по предварително получената формула:

Описание: I = електрически ток, n = плътност на заредените частици = плътност на свободните електрони, q = заряд на един електрон, A = площ на напречното сечение на проводника, v = скорост на дрейф на електрони

Скоростта на дрейф на електроните е 0,248 x 10^-3 метър/секунда = 0,248 милиметра/секунда.

Свободните електрони се движат заедно в проводник със скорост от 0,248 милиметра в секунда. С други думи, всяка секунда всички свободни електрони се движат с 0,248 милиметра. Това е много бавна скорост. Ако движението на свободните електрони е толкова бавно, защо електрическата лампа светва веднага след включване на ключа?

За да разберем това, разгледайте потока на електрони в проводник, подобен на потока на вода в маркуч. Ако маркучът е напълнен с вода и единият му край е свързан с кран, водата веднага ще изтече от другия край. По подобен начин има свободни електрони в медната жица и в жицата на електрическата крушка. Когато ключът е включен, се генерира електрическо поле със скорост, приближаваща се до скоростта на светлината (скорост на светлината = 3 x 10⁸ метра/секунда), което кара свободните електрони да започнат да се движат заедно точно в този момент. В проводника на крушката вече има свободни електрони, така че светлината светва точно в този момент.