corrent elèctric

Definició de corrent elèctric

Dins d'un conductor com el coure, hi ha electrons que es mouen lliurement i aleatòriament a altes velocitats, però no s'escapen del metall. Els electrons que es poden moure lliurement s'anomenen electrons lliures. Tot i que els electrons es mouen lliurement en totes direccions, no hi ha un flux net d'electrons en cap direcció en particular. Aquesta condició es produeix quan no hi ha cap diferència de potencial entre els dos extrems del cable de coure.

Quan el cable es connecta a una font elèctrica, sorgeix una diferència de potencial entre els dos extrems del cable de coure, creant així un camp elèctric al cable de coure. La presència d' un camp elèctric fa que els electrons lliures experimentin una força elèctrica F = q E = e E, on F = força elèctrica, e = càrrega de l'electró, E = camp elèctric . La força elèctrica fa que tots els electrons que es mouen lliurement experimentin una acceleració comuna en la mateixa direcció que la força elèctrica.

Aquests electrons lliures, movent-se junts, es troben entre els àtoms estacionaris del cable de coure, cosa que fa que tots els electrons xoquin amb aquests àtoms. Aquestes col·lisions fan que els electrons lliures canviïn la seva direcció de moviment. Tots aquests electrons estan constantment sotmesos a una força elèctrica, cosa que fa que accelerin en la mateixa direcció que la força elèctrica. Després de moure's durant un moment, els electrons lliures tornen a xocar amb els àtoms del cable de coure. Tanmateix, els electrons lliures sempre estan sotmesos a una força elèctrica, cosa que fa que tots els electrons tornin a accelerar.

Així doncs, a més de moure's aleatòriament en diverses direccions, tots els electrons lliures també es mouen junts lentament en la direcció de la força elèctrica i en la direcció oposada al camp elèctric. La direcció del camp elèctric és d'alt potencial elèctric a baix potencial elèctric, mentre que els electrons es mouen de baix potencial a alt potencial. El moviment aleatori de cada electró lliure té una velocitat molt ràpida, mentre que el moviment col·lectiu dels electrons lliures en la direcció de la força elèctrica té una velocitat molt lenta. Aquest moviment col·lectiu dels electrons lliures en la direcció de la força elèctrica també s'anomena velocitat de deriva.

El corrent elèctric es defineix com el flux de càrrega elèctrica a través d'una secció transversal d'un conductor durant un interval de temps específic. Per convenció, la direcció del corrent elèctric és la mateixa que la direcció del moviment de les càrregues positives. Aquest acord es va fer abans que se sabés que el que realment es mou en un conductor són electrons lliures amb càrrega negativa. La direcció del moviment dels electrons en un conductor és oposada a la direcció del corrent elèctric. Per tant, quan es parla del corrent que flueix en un conductor, el que es vol dir és el flux de càrregues positives, també conegut com a corrent convencional perquè és el resultat d'aquest acord.

Fórmula del corrent elèctric

Matemàticament, el corrent elèctric s'expressa mitjançant l'equació:
I = ΔQ / Δt
Descripció de la fórmula: I = corrent elèctric, ΔQ = quantitat de càrrega elèctrica, Δt = interval de temps.

Unitat de corrent elèctric

La unitat de càrrega elèctrica és el Coulomb, la unitat de temps és el segon, per tant, la unitat de corrent elèctric és el Coulomb/segon. El Coulomb/segon també s'anomena Ampere , en honor al físic francès André Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/segon (1 A = 1 C/s). En altres paraules, un corrent elèctric d'1 Ampere és igual a una càrrega elèctrica d'1 Coulomb que passa per una àrea de secció transversal d'un cable durant 1 segon. A més d'expressar-se en Amperes, el corrent elèctric també s'expressa en mil·liamperes (1 mA = 10⁻³ ^A ), microamperes (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamperes (1 nA = 10⁻⁹ ^A ) o picoamperes (1 pA = 10⁻¹² ^A ).

Exemple de pregunta 1:

Un corrent de 2 amperes flueix a través d'un cable durant 8 segons. Determineu la magnitud de la càrrega que passa per un punt i el nombre d'electrons d'aquesta càrrega!
Discussió
Se sap que:
Corrent elèctric (I) = 1 amperes
Interval de temps (t) = 2 segons
Preguntat: càrrega (Q) i nombre d'electrons (e)
Resposta:
Fórmula del corrent elèctric:
I = Q/t
Descripció de la fórmula: I = corrent elèctric, Q = càrrega elèctrica, t = interval de temps
Càrrega elèctrica:
Q = I t = (2 amperes)(8 segons) = 16 coulombs.

La càrrega d'un electró és d'1,6 x 10⁻¹19 ^Coulombs , per la qual cosa una càrrega de 16 Coulombs té tants electrons com 16 C / 1,6 x ^10⁻¹19 Coulombs = 10 x ^10⁻¹19 electrons.

Corrent elèctric, velocitat de deriva i densitat de corrent

Considereu una càrrega positiva que es mou cap a la dreta amb una velocitat de deriva v en la direcció d'un camp elèctric E en un conductor amb una àrea de secció transversal A. La càrrega positiva es mou una distància s = vt durant un interval de temps t.

Si el nombre de partícules carregades per volum (densitat de partícules carregades) és n i el volum del conductor és A s = A vt, aleshores el nombre de partícules carregades en el volum del conductor és n A v t. Si cada partícula carregada té una càrrega q, aleshores la quantitat de càrrega que passa per l'extrem del conductor durant l'interval de temps t és Q = nq A v t. Per tant, el corrent elèctric que flueix per l'extrem del conductor és I = Q/t = nq A v. Mentre que la densitat de corrent o corrent per àrea de secció transversal A és J = I/A = nq v. Es pot concloure que el corrent que flueix en el conductor és el resultat de la multiplicació de la densitat de partícules carregades (n), la magnitud de la càrrega de cada partícula (q), l'àrea de secció transversal del conductor (A) i la velocitat de deriva de les partícules carregades (v).

Estudieu el següent problema d'exemple per entendre la diferència entre la velocitat de cada partícula carregada i la velocitat de deriva de totes les partícules carregades.

Exemple de pregunta 2:

Un corrent constant de 10 amperes flueix en un cable de coure amb una secció transversal de 3 x 10^-6 m²La densitat d'electrons lliures és de 8,4 x 10²⁸ electrons/m²³Determineu la velocitat de deriva dels electrons lliures!
Discussió
Se sap que:
Corrent elèctric (I) = 10 amperes
Secció transversal del cable (A) = 3 x 10^-6 m²
Densitat d'electrons lliures (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Càrrega de l'electró (q) = 1,6 x 10^-19 C
Preguntat: Velocitat de deriva dels electrons lliures (v)
Resposta:
La velocitat dels electrons es calcula utilitzant la fórmula derivada anteriorment:

Descripció: I = corrent elèctric, n = densitat de partícules carregades = densitat d'electrons lliures, q = càrrega d'un electró, A = àrea de la secció transversal del conductor, v = velocitat de deriva dels electrons

La velocitat de deriva dels electrons és de 0,248 x 10-3 ^metres /segon = 0,248 mil·límetres/segon.

Els electrons lliures es mouen junts en un cable a una velocitat de 0,248 mil·límetres per segon. En altres paraules, cada segon tots els electrons lliures es mouen 0,248 mil·límetres. Aquesta és una velocitat molt lenta. Si el moviment dels electrons lliures és tan lent, per què s'encén una llum elèctrica immediatament després d'encendre l'interruptor?

Per entendre això, considereu el flux d'electrons en un conductor com el flux d'aigua en una mànega. Si la mànega està plena d'aigua, si un extrem de la mànega està connectat a una aixeta, l'aigua sortirà immediatament per l'altre extrem. De la mateixa manera, hi ha electrons lliures al cable de coure i al cable de la bombeta. Quan s'encén l'interruptor, es genera un camp elèctric amb una velocitat que s'aproxima a la velocitat de la llum (velocitat de la llum = 3 x 108 ^metres /segon), cosa que fa que els electrons lliures comencin a moure's junts immediatament. Ja hi ha electrons lliures al cable de la bombeta, de manera que la bombeta s'encén immediatament.