Определение на електрически ток
В проводник като мед има електрони, които се движат свободно с висока скорост, 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 определена посока. Това състояние възниква, когато няма потенциална разлика между двата края на медния проводник.
Когато проводникът е свързан към електрически източник, между двата края на медния проводник възниква потенциална разлика, така че в него се появява електрическо поле. Наличието на електрическо поле кара свободните електрони да изпитват електрическа сила F = q E = e E, където F = електрическа сила , e = заряд на електрона, E = електрическо поле . Тази електрическа сила кара всички електрони, които се движат свободно, да се ускоряват заедно, което е в същата посока като електрическата сила.
Свободните електрони, които се движат заедно, са между атомите, които остават в медната жица, така че всички електрони се сблъскват с атомите. Сблъсъкът кара посоката на свободните електрони да се промени. Всички тези електрони винаги изпитват електрическа сила, така че всички електрони се ускоряват в същата посока като посоката на електрическата сила. След като се движат за момент, свободните електрони се сблъскват с атоми в медната жица. Но свободните електрони винаги изпитват електрическа сила, така че всички електрони се ускоряват отново. Така че освен че се движат произволно в различни посоки, всички свободни електрони се движат бавно заедно и в посока на електрическата сила и в посока, обратна 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 бърза скорост, докато движението на свободните електрони в посока на електрическата сила има много бавна скорост. Това движение на свободните електрони в посока на електрическата сила се нарича още скорост на дрейф.
Електрическият ток се определя като потока на електрически заряд през напречното сечение на проводник за определен интервал от време. В съответствие със споразумението, посоката на електрическия ток е същата като посоката на положителния заряд. Това споразумение е направено преди да се знае, че това, което всъщност се движи в проводника, са отрицателно заредените свободни електрони. Посоката на движение на електроните в проводника е противоположна на посоката на електрическия ток. Така че, ако говорим за тока, протичащ в проводника, се има предвид потокът на положителен заряд, който се нарича още конвенционален ток, защото е резултат от споразумение.
Уравнението на електрическия ток
Математически, електрическият ток се изразява с уравнението:
I = ΔQ / Δt
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, на 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, който преминава през напречно сечение на проводник за 1 секунда. Освен че се изразява в ампери, електрическите токове се изразяват също 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 ).
Примерна задача 1:
Ток от 2 ампера протича през проводника в продължение на 8 секунди. Определете количеството заряд, преминаващ през точка, и броя на електроните в този заряд!
известен:
Електрически ток (I) = 1 ампера
Времеви интервал (t) = 2 секунди
Търсят се: заряд (Q) и брой електрони (e)
Решение:
Уравнение на електрическия ток:
I = Q/t
I = електрически ток, Q = електрически заряд, t = интервал от време
Електрически заряд:
Q = I t = (2 ампера)(8 секунди) = 16 C.
Зарядът на един електрон е 1.6 x 10⁻¹⁹ Кулон , така че зарядът от 16 кулона има толкова електрони, колкото 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ Кулон = 10 x 10⁻¹⁹ електрона.
Електрически ток, скорост на дрейф и плътност на тока
Разгледайте положителния заряд, който се движи надясно със скоростта v, дрейфувайки в посока на електрическото поле E.
върху проводник с площ на напречното сечение A. Положителният заряд се премества на разстояние s = vt през интервала 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, преминаващо през края на проводника през интервала t, е Q = nq A v t. Следователно, електрическият ток, протичащ през върха 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 произведение на плътността на заредените частици (n),
количеството заряд за всяка частица (q), площта на проводника (A) и скоростта на заредените частици (v).
Разгледайте следните примерни въпроси.
Примерна задача 2:
Постоянен ток от 10 ампера тече в меден проводник с площ на напречното сечение 3 x 10⁻⁶ m² . Плътността на свободните електрони е 8.4 x 10²⁶ електрона /m³ . Определете скоростта на дрейф на свободните електрони!
известен:
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 10²⁻¹ m⁻³
Електронен заряд (q) = 1.6 x 10⁻¹⁴ C
Търси се: Скорост на свободния дрейф на електроните (v)
Решение:
Скоростта на електроните се изчислява по формула, която е била изведена преди това:
I = електрически ток, n = плътност на заредените частици = електронна плътност, 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 метра /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 придвижват на разстояние от 0.248 милиметра. Това е много бавна скорост. Ако движението на свободните електрони е много бавно, защо електрическата лампа светва веднага след включване на ключа?
За да разберем това, електроните текат в проводника подобно на потока вода вътре в маркуча. Ако маркучът е пълен с вода, тогава ако единият край на маркуча е свързан към кранчето, водата веднага изтича от единия край на другия маркуч. По същия начин има свободни електрони в медния проводник и проводника на електрическата крушка. Когато ключът е включен, възниква електрическо поле със скорост, приближаваща се до скоростта на светлината (скорост на светлината = 3 x 10⁶ метра /секунда), което кара свободните електрони да започнат да се движат заедно в този момент. В проводника на електрическата крушка вече има свободни електрони, така че светлината свети точно в този момент.
Проблеми и решения
1. Постоянен ток от 10 A протича в проводник в продължение на 2 минути. Каква част от количеството заряд преминава през проводника във всяко място?
Известни:
Електрически ток (I) = 10 A
Времеви интервал (t) = 2 минути = 2 x 60 секунди = 120 секунди
Търси се: Заряд (Q)
решение:
Уравнение на електрическия ток:
I = q/t
I = електрическият ток, q = електрическият заряд, t = интервалът от време
Електрическият заряд:
Q = I t = (10)(120) = 1200°C
2. Заряд от 60 C преминава през точка от веригата за 5 минути. Какъв е електрическият ток?
Известни:
Времевият интервал (t) = 5 минути = 5 x 60 секунди = 300 секунди
Електрическият заряд (Q) = 60 C
Търси се: Електрическият ток (I)
решение:
Електрическият ток:
I = Q/t
I = 1 000 000 / 300
I = 0.2 кулона/секунда
I = 0.2 ампера
3. Единицата за електрически ток в системата SI е…
Решение
кулони/секунда
Кулони/секунди, получили специалното наименование, ампер.
