Električna struja

Definicija električne struje

U provodniku kao što je bakar, postoje elektroni koji se slobodno kreću velikom brzinom, 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 ukupni tok elektrona u 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, tako da se unutar bakrene žice pojavljuje električno polje. Postojanje električnog polja uzrokuje da slobodni elektroni osjećaju električnu silu F = q E = e E, gdje je F = električna sila , e = naboj elektrona, E = električno polje . Ova električna sila uzrokuje da se svi elektroni koji se slobodno kreću ubrzavaju zajedno, što je isti smjer kao i električna sila.

Slobodni elektroni koji se kreću zajedno nalaze se između atoma koji ostaju u bakrenoj žici, tako da se svi elektroni sudaraju s atomima. Sudar uzrokuje promjenu smjera slobodnih elektrona. Svi ovi elektroni uvijek doživljavaju električnu silu, tako da se svi elektroni ubrzavaju u istom smjeru kao i smjer električne sile. Nakon što se na trenutak pomaknu, slobodni elektroni sudaraju s atomima u bakrenoj žici. Ali slobodni elektroni uvijek doživljavaju električnu silu, tako da se svi elektroni ponovo ubrzavaju. Dakle, osim što se nasumično kreću u različitim smjerovima, svi slobodni elektroni se također polako kreću zajedno 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 kretanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile ima vrlo malu brzinu. Ovo 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. U skladu sa sporazumom, smjer električne struje je isti kao i smjer pozitivnog naboja. Ovaj sporazum je postignut prije nego što se znalo da se u provodniku zapravo kreću negativno nabijeni slobodni elektroni. Smjer kretanja elektrona u provodniku je suprotan smjeru električne struje. Dakle, ako govorimo o struji koja teče u provodniku, misli se na protok pozitivnog naboja, koji se naziva i konvencionalna struja jer je rezultat sporazuma.

Jednačina električne struje

Matematički, električna struja se izražava jednačinom:

I = ΔQ / Δt

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, po imenu francuskog fizičara Andre Marie Amperea (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, električne struje se izražavaju i u miliamperima (1 mA = 10⁻³ ^A ), mikroamperima (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamperima (1 nA = 10⁻⁹ A) ili pikoamperima (1 pA = 10⁻¹² ^A ).

Primjer problema 1:

Struja od 2 ampera teče kroz žicu 8 sekundi. Odredite količinu naelektrisanja koja prolazi kroz tačku i broj elektrona u tom naelektrisanju!

Poznato:

Električna struja (I) = 1 ampera

Vremenski interval (t) = 2 sekundi

Traži se: naboj (Q) i broj elektrona (e)

rješenje:

Jednačina električne struje:

I = Q/t

I = električna struja, Q = električni naboj, t = vremenski interval

Električni naboj:

Q = I t = (2 Ampera)(8 sekundi) = 16 C.

Naelektrisanje jednog elektrona je 1.6 x 10⁻¹⁹ ^Coulomb -a, tako da naelektrisanje od 16 Coulomb-a ima onoliko elektrona koliko i 16 C / 1.6 x ^10⁻¹⁹ Coulomb-a = 10 x ^10⁻¹⁹ elektrona.

Električna struja, brzina drifta i gustoća struje

Promotrite pozitivno naelektrisanje koje se kreće udesno brzinom v u smjeru električnog polja E.

na provodniku koji ima površinu poprečnog presjeka A. Pozitivno naelektrisanje se pomiče za 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 volumenu provodnika n A v t. Ako svaka naelektrisana čestica ima naelektrisanje od q, tada je količina naelektrisanja koja prolazi kroz kraj provodnika tokom intervala t Q = nq A v t. Dakle, električna struja koja teče kroz vrh 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 kroz provodnik proizvod gustine naelektrisanih čestica (n),

količina naelektrisanja za svaku česticu (q), površina provodnika (A) i brzina naelektrisanih čestica (v).

Proučite sljedeće primjere pitanja.

Primjer problema 2:

Konstantna struja od 10 ampera teče bakrenom žicom poprečnog presjeka 3 x 10⁻⁶ ^m² . Gustina slobodnih elektrona je 8.4 x ^10²⁶ elektrona/m³ ^{. Odredite} brzinu drifta slobodnih elektrona!

Poznato:

Električna struja (I) = 10 ampera

^Površina poprečnog presjeka žice (A) = 3 x ^10⁻⁶ m²

^{Gustoća slobodnih elektrona (} n) = 8.4 x ^10²⁻¹ m⁻³

Naboj elektrona (q) = 1.6 x ^10⁻¹⁴ C

Traži se: Brzina slobodnog drifta elektrona (v)

rješenje:

Brzina elektrona se izračunava pomoću formule koja je ranije izvedena:

I = električna struja, n = gustoća nabijenih čestica = gustoća 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 i do 0.248 milimetara. To je vrlo mala brzina. Ako je kretanje slobodnih elektrona vrlo sporo, zašto se električno svjetlo odmah pali nakon što se prekidač uključi?

Da bismo ovo razumjeli, elektroni teku u provodniku poput toka vode unutar crijeva. Ako je crijevo napunjeno vodom, onda ako je jedan kraj crijeva spojen na slavinu, voda odmah ističe s jednog kraja drugog crijeva. Slično tome, postoje slobodni elektroni u bakrenoj žici i žici sijalice. Kada se prekidač uključi, nastaje električno polje brzinom koja se približava brzini svjetlosti (brzina svjetlosti = 3 x 10 ⁸ metara/sekundi), što uzrokuje da se slobodni elektroni počnu kretati zajedno u tom trenutku. U žici sijalice već postoje slobodni elektroni tako da je svjetlost upaljena u tom trenutku.

Problemi i rješenja

1. Stalna struja od 10 A postoji u žici 2 minute. Koliki dio naboja prolazi kroz provodnik na bilo kojoj lokaciji?

Poznato:

Električna struja (I) = 10 A

Vremenski interval (t) = 2 minute = 2 x 60 sekundi = 120 sekundi

Traži se: Naboj (Q)

Rešenje:

Jednačina električne struje:

I = q/t

I = električna struja, q = električni naboj, t = vremenski interval

Električni naboj:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. Naboj od 60 C prolazi pored tačke u strujnom kolu tokom 5 minuta. Kolika je jačina električne struje?

Poznato:

Vremenski interval (t) = 5 minuta = 5 x 60 sekundi = 300 sekundi

Električni naboj (Q) = 60 C

Traži se: Električna struja (I)

Rešenje:

Električna struja:

I = Q/t

I = 60 / 300

I = 0.2 kulona/sekundi

I = 0.2 ampera

3. Jedinica za električnu struju u SI sistemu je…

rastvor

Kuloni/sekunda

Kuloni/sekunde, kojima je dat poseban naziv, amper.