Definicija električne struje
Unutar provodnika poput bakra nalaze se elektroni koji se slobodno i nasumično kreću velikim brzinama, ali ne izlaze iz metala. Elektroni koji se mogu slobodno kretati nazivaju se slobodni elektroni. Iako se elektroni slobodno kreću u svim smjerovima, ne postoji neto tok elektrona u bilo kojem određenom smjeru. Ovo stanje se javlja kada ne postoji razlika potencijala između dva kraja bakrene žice.
Kada je žica spojena na električni izvor, nastaje potencijalna razlika između dva kraja bakrene žice, stvarajući tako električno polje u bakrenoj žici. Prisustvo električnog polja uzrokuje da slobodni elektroni iskuse električnu silu F = q E = e E, gdje je F = električna sila, e = naboj elektrona, E = električno polje . Električna sila uzrokuje da svi slobodno krećući se elektroni iskuse zajedničko ubrzanje u istom smjeru kao i električna sila.
Ovi slobodni elektroni, krećući se zajedno, nalaze se između stacionarnih atoma u bakrenoj žici, uzrokujući da se svi elektroni sudaraju s tim atomima. Ovi sudari uzrokuju da slobodni elektroni promijene smjer kretanja. Svi ovi elektroni su stalno izloženi električnoj sili, što uzrokuje njihovo ubrzanje u istom smjeru kao i električna sila. Nakon što se na trenutak pomaknu, slobodni elektroni se ponovo sudaraju s atomima u bakrenoj žici. Međutim, slobodni elektroni su uvijek izloženi električnoj sili, što uzrokuje da se svi elektroni ponovo ubrzaju.
Dakle, pored toga što se nasumično kreću u raznim smjerovima, svi slobodni elektroni se također kreću zajedno polako u smjeru električne sile i u suprotnom smjeru od električnog polja. Smjer električnog polja je od visokog električnog potencijala do niskog električnog potencijala, dok se elektroni kreću od niskog potencijala do visokog potencijala. Nasumično kretanje svakog slobodnog elektrona ima vrlo veliku brzinu, dok kolektivno kretanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile ima vrlo malu brzinu. Ovo kolektivno kretanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile naziva se i brzina drifta.
Električna struja se definiše kao protok električnog naboja kroz poprečni presjek provodnika tokom određenog vremenskog intervala. Po konvenciji, smjer električne struje je isti kao i smjer kretanja pozitivnih naboja. Ovaj dogovor je postignut prije nego što je postalo poznato da se u provodniku zapravo kreću slobodni, negativno nabijeni elektroni. Smjer kretanja elektrona u provodniku je suprotan smjeru električne struje. Stoga, kada se govori o struji koja teče u provodniku, misli se na protok pozitivnih naboja, poznat i kao konvencionalna struja jer je rezultat ovog dogovora.
Formula električne struje
Matematički, električna struja se izražava jednačinom:
I = ΔQ / Δt
Opis formule: I = električna struja, ΔQ = količina električnog naboja, Δt = vremenski interval.
Jedinica električne struje
Jedinica za električni naboj je Coulomb, jedinica za vrijeme je sekunda, pa je jedinica za električnu struju Coulomb/sekunda. Coulomb/sekunda se naziva i amper , nazvan po francuskom fizičaru Andre Marie Ampereu (1775-1836). 1 amper = 1 Coulomb/sekunda (1 A = 1 C/s). Drugim riječima, električna struja od 1 ampera jednaka je električnom naboju od 1 Coulomb koji prolazi kroz poprečni presjek žice tokom 1 sekunde. Osim što se izražava u amperima, električna struja se izražava i u miliamperima (1 mA = 10⁻³ A ), mikroamperima (1 μA = 10⁶ A ), nanoamperima (1 nA = 10⁻⁹ A ) ili pikoamperima (1 pA = 10⁻¹² A).
Primjer pitanja 1:
Struja od 2 ampera teče kroz žicu 8 sekundi. Odredite veličinu naboja koji prolazi kroz tačku i broj elektrona u tom naboju!
Diskusija
Poznato je da:
Električna struja (I) = 1 Amper
Vremenski interval (t) = 2 sekunde
Pitao/la: naboj (Q) i broj elektrona (e)
Odgovor:
Formula električne struje:
I = Q/t
Opis formule: I = električna struja, Q = električni naboj, t = vremenski interval
Električni naboj:
Q = I t = (2 ampera)(8 sekundi) = 16 kulona.
Naelektrisanje jednog elektrona je 1,6 x 10⁻¹⁴ kulona , tako da naelektrisanje od 16 kulona ima onoliko elektrona koliko i 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁴ kulona = 10 x 10⁻¹⁴ elektrona.
Električna struja, brzina drifta i gustoća struje
Razmotrimo pozitivno naelektrisanje koje se kreće udesno brzinom drifta v u smjeru električnog polja E u provodniku poprečnog presjeka A. Pozitivno naelektrisanje se pomiče za udaljenost s = vt tokom vremenskog intervala t.
Ako je broj naelektrisanih čestica po zapremini (gustina naelektrisanih čestica) n, a zapremina provodnika je As = A vt, tada je broj naelektrisanih čestica u zapremini provodnika n A v t. Ako svaka naelektrisana čestica ima naelektrisanje od q, tada je količina naelektrisanja koja prolazi kroz kraj provodnika tokom vremenskog intervala t Q = nq A v t. Dakle, električna struja koja teče kroz kraj provodnika je I = Q/t = nq A v. Dok je gustina struje ili struja po površini poprečnog presjeka A J = I/A = nq v. Može se zaključiti da je struja koja teče u provodniku rezultat množenja gustine naelektrisanih čestica (n), veličine naelektrisanja svake čestice (q), površine poprečnog presjeka provodnika (A) i brzine drifta naelektrisanih čestica (v).
Proučite sljedeći primjer problema kako biste razumjeli razliku između brzine svake nabijene čestice i brzine drifta svih nabijenih čestica.
Primjer pitanja 2:
Konstantna struja od 10 ampera teče kroz bakrenu žicu poprečnog presjeka 3 x 10-6 m2Gustoća slobodnih elektrona je 8,4 x 1028 elektrona/m3Odredite brzinu drifta slobodnih elektrona!
Diskusija
Poznato je da:
Električna struja (I) = 10 Amper
Površina poprečnog presjeka žice (A) = 3 x 10-6 m2
Gustoća slobodnih elektrona (n) = 8,4 x 1028 m-3
Naboj elektrona (q) = 1,6 x 10-19 C
Pitao/la: Brzina slobodnog drifta elektrona (v)
Odgovor:
Brzina elektrona se izračunava pomoću prethodno izvedene formule:
Opis: I = električna struja, n = gustoća nabijenih čestica = gustoća slobodnih elektrona, q = naboj jednog elektrona, A = površina poprečnog presjeka provodnika, v = brzina drifta elektrona
Brzina drifta elektrona je 0,248 x 10⁻³ metara /sekundi = 0,248 milimetara/sekundi.
Slobodni elektroni se kreću zajedno u žici brzinom od 0,248 milimetara u sekundi. Drugim riječima, svake sekunde svi slobodni elektroni se pomjere za 0,248 milimetara. Ovo je vrlo mala brzina. Ako je kretanje slobodnih elektrona tako sporo, zašto se električno svjetlo odmah pali nakon što se prekidač uključi?
Da bismo ovo razumjeli, zamislite tok elektrona u provodniku kao tok vode u crijevu. Ako je crijevo napunjeno vodom, onda ako je jedan kraj crijeva spojen na slavinu, voda će odmah poteći iz drugog kraja. Slično tome, postoje slobodni elektroni u bakrenoj žici i žici sijalice. Kada se prekidač uključi, generira se električno polje brzinom koja se približava brzini svjetlosti (brzina svjetlosti = 3 x 108 metara /sekundi), što uzrokuje da se slobodni elektroni odmah počnu kretati zajedno. U žici sijalice već postoje slobodni elektroni, tako da se sijalica odmah pali.
