Definició de corrent elèctric
En un conductor com el coure, hi ha electrons que es mouen aleatòriament a gran velocitat lliurement 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 total d'electrons en una direcció 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, de manera que apareix un camp elèctric dins del cable de coure. L'existència d'un camp elèctric fa que els electrons lliures experimentin la força elèctrica F = q E = e E, on F = força elèctrica , e = càrrega de l'electró, E = camp elèctric . Aquesta força elèctrica fa que tots els electrons que es mouen lliurement accelerin junts, que és la mateixa direcció que la força elèctrica.
Els electrons lliures que es mouen junts es troben entre els àtoms que romanen al cable de coure, de manera que tots els electrons xoquen amb els àtoms. La col·lisió fa que la direcció dels electrons lliures canviï. Tots aquests electrons sempre experimenten una força elèctrica, de manera que tots els electrons s'acceleren en la mateixa direcció que la direcció de la força elèctrica. Després de moure's un moment, els electrons lliures xoquen amb els àtoms del cable de coure. Però els electrons lliures sempre experimenten una força elèctrica, de manera que tots els electrons s'acceleren de nou. Així, a més de moure's aleatòriament en diverses direccions, tots els electrons lliures també es mouen lentament junts en la direcció de la força elèctrica i en la direcció oposada al camp elèctric. La direcció del camp elèctric és d'un potencial elèctric alt a un potencial elèctric baix, mentre que els electrons es mouen d'un potencial baix a un potencial alt. El moviment aleatori de cada electró lliure té una velocitat molt ràpida, mentre que el moviment amb electrons lliures en la direcció de la força elèctrica té una velocitat molt lenta. Aquest moviment amb 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 cert interval de temps. D'acord amb l'acord, la direcció del corrent elèctric és la mateixa que la direcció de la càrrega positiva. Aquest acord es va fer abans que se sabés que el que realment es mou en un conductor són els electrons lliures carregats negativament. La direcció del moviment dels electrons en el conductor és oposada a la direcció del corrent elèctric. Per tant, si parlem del corrent que flueix en el conductor, el que volem dir és el flux de càrrega positiva, que també s'anomena corrent convencional perquè és el resultat d'un acord.
L'equació del corrent elèctric
Matemàticament, el corrent elèctric s'expressa mitjançant l'equació:
I = ΔQ / Δt
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, nom del 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 a través d'una àrea de secció transversal d'un cable durant 1 segon. A més d'expressar-se en Amperes, els corrents elèctrics també s'expressen en mil·liamperes (1 mA = 10⁻³ A ), microamperes (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoamperes (1 nA = 10⁻⁶ A) o picoamperes (1 pA = 10⁻¹² A ).
Problema de mostra 1:
Un corrent de 2 amperes flueix a través del cable durant 8 segons. Determineu la quantitat de càrrega que passa per un punt i el nombre d'electrons en aquesta càrrega!
Conegut:
Corrent elèctric (I) = 1 amperes
Interval de temps (t) = 2 segons
Es busca: càrrega (Q) i nombre d'electrons (e)
Solució:
Equació del corrent elèctric:
I = Q/t
I = corrent elèctric, Q = càrrega elèctrica, t = interval de temps
Càrrega elèctrica:
Q = I t = (2 amperes)(8 segons) = 16 C.
La càrrega d'un electró és d'1.6 x 10⁻¹19 Coulomb , de manera que la càrrega de 16 Coulombs té tants electrons com 16 C / 1.6 x 10⁻¹19 Coulomb = 10 x 10⁻¹19 electrons.
Corrent elèctric, velocitat de deriva i densitat de corrent
Revisa la càrrega positiva que es mou cap a la dreta amb la velocitat, derivant v en la direcció del camp elèctric E
en un conductor que té una àrea de secció transversal A. La càrrega positiva es mou fins a s = vt durant l'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 de q, la quantitat de càrrega que passa per l'extrem del conductor durant l'interval t és Q = nq A v t. Per tant, el corrent elèctric que flueix per la punta 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 circula pel conductor és el producte de la multiplicació de la densitat de les partícules carregades (n),
la quantitat de càrrega de cada partícula (q), l'àrea del conductor (A) i la velocitat de les partícules carregades (v).
Estudia les següents preguntes d'exemple.
Problema de mostra 2:
Un corrent constant de 10 amperes flueix en un cable de coure amb una secció transversal de 3 x 10⁻⁶ m² . La densitat d'electrons lliures és de 8.4 x 10⁻² electrons/m³ . Determineu la velocitat de deriva dels electrons lliures!
Conegut:
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
Es busca: Velocitat de deriva d'electrons lliures (v)
Solució:
La velocitat dels electrons es calcula mitjançant una fórmula que ja s'ha derivat anteriorment:
I = corrent elèctric, n = densitat de partícules carregades = densitat d'electrons, 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 velocitats de 0.248 mil·límetres per segon. En altres paraules, cada segon, tots els electrons lliures es mouen fins a 0.248 mil·límetres. Aquesta és una velocitat molt lenta. Si el moviment dels electrons lliures és molt lent, per què la llum elèctrica s'encén immediatament després d'encendre l'interruptor?
Per entendre això, els electrons flueixen pel conductor com el flux d'aigua dins de la mànega. Si la mànega està plena d'aigua, si un extrem de la mànega està connectat a l'aixeta, l'aigua surt immediatament per un extrem de l'altre mànega. De la mateixa manera, hi ha electrons lliures al cable de coure i al cable de la bombeta. Quan s'encén l'interruptor, sorgeix un camp elèctric amb una velocitat que s'aproxima a la velocitat de la llum (velocitat de la llum = 3 x 10^ 8 metres/segon), cosa que fa que els electrons lliures comencin a moure's junts en aquell moment. Ja hi ha electrons lliures al cable de la bombeta, de manera que la llum està encesa en aquell precís moment.
Problemes i solucions
1. Existeix un corrent constant de 10 A en un cable durant 2 minuts. Quanta quantitat de càrrega passa a través del conductor en qualsevol lloc.
Conegut:
Corrent elèctric (I) = 10 A
Interval de temps (t) = 2 minuts = 2 x 60 segons = 120 segons
Es busca: Càrrega (Q)
Solució:
Equació del corrent elèctric:
I = q/t
I = el corrent elèctric, q = la càrrega elèctrica, t = l'interval de temps
La càrrega elèctrica:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. 60 C de càrrega passen per un punt del circuit durant 5 minuts. Quin és el corrent elèctric?
Conegut:
L'interval de temps (t) = 5 minuts = 5 x 60 segons = 300 segons
La càrrega elèctrica (Q) = 60 C
Es busca: El corrent elèctric (I)
Solució:
El corrent elèctric:
I = Q/t
I = 60 / 300
I = 0.2 Coulombs/segon
I = 0.2 amperes
3. La unitat de corrent elèctric en el sistema SI és…
Solució
Coulombs/segon
Coulombs/segons, amb un nom especial, l'ampere.
