Elektrický proud

Definice elektrického proudu

Uvnitř vodiče, jako je měď, se nacházejí elektrony, které se volně a náhodně pohybují vysokými rychlostmi, ale neunikají z kovu. Elektrony, které se mohou volně pohybovat, se nazývají volné elektrony. Ačkoli se elektrony volně pohybují všemi směry, neexistuje žádný celkový tok elektronů v žádném konkrétním směru. K tomuto stavu dochází, když mezi oběma konci měděného drátu není žádný rozdíl potenciálů.

Když je vodič připojen k elektrickému zdroji, vznikne mezi oběma konci měděného drátu rozdíl potenciálů, čímž se v něm vytvoří elektrické pole. Přítomnost elektrického pole způsobuje, že na volné elektrony působí elektrická síla F = q E = e E, kde F = elektrická síla, e = náboj elektronu, E = elektrické pole . Elektrická síla způsobuje, že všechny volně se pohybující elektrony zažívají společné zrychlení ve stejném směru jako elektrická síla.

Tyto volné elektrony, pohybující se společně, se nacházejí mezi stacionárními atomy v měděném drátu, což způsobuje, že se všechny elektrony s těmito atomy srážejí. Tyto srážky způsobují, že volné elektrony mění směr svého pohybu. Všechny tyto elektrony jsou neustále vystaveny elektrické síle, která je zrychluje ve stejném směru jako elektrická síla. Po okamžiku pohybu se volné elektrony znovu srazí s atomy v měděném drátu. Volné elektrony jsou však vždy vystaveny elektrické síle, která způsobuje, že se všechny elektrony opět zrychlují.

Takže kromě náhodného pohybu v různých směrech se všechny volné elektrony také pomalu pohybují společně ve směru elektrické síly a v opačném směru elektrického pole. Směr elektrického pole je od vysokého elektrického potenciálu k nízkému elektrickému potenciálu, zatímco elektrony se pohybují od nízkého potenciálu k vysokému potenciálu. Náhodný pohyb každého volného elektronu má velmi vysokou rychlost, zatímco kolektivní pohyb volných elektronů ve směru elektrické síly má velmi pomalou rychlost. Tento kolektivní pohyb volných elektronů ve směru elektrické síly se také nazývá driftová rychlost.

Elektrický proud je definován jako tok elektrického náboje průřezem vodiče v určitém časovém intervalu. Podle konvence je směr elektrického proudu stejný jako směr pohybu kladných nábojů. Tato dohoda byla uzavřena dříve, než bylo známo, že se ve vodiči pohybují volné, záporně nabité elektrony. Směr pohybu elektronů ve vodiči je opačný než směr elektrického proudu. Proto se při diskusi o proudu tekoucím ve vodiči myslí tok kladných nábojů, známý také jako konvenční proud, protože je výsledkem této dohody.

Vzorec pro elektrický proud

Matematicky se elektrický proud vyjadřuje rovnicí:
I = ΔQ / Δt
Popis vzorce: I = elektrický proud, ΔQ = množství elektrického náboje, Δt = časový interval.

Jednotka elektrického proudu

Jednotkou elektrického náboje je Coulomb, jednotkou času je sekunda, takže jednotkou elektrického proudu je Coulomb/sekunda. Coulomb/sekunda se také nazývá ampér , pojmenovaný po francouzském fyzikovi André Marie Ampérovi (1775-1836). 1 ampér = 1 Coulomb/sekunda (1 A = 1 C/s). Jinými slovy, elektrický proud 1 ampér se rovná elektrickému náboji 1 Coulomb procházejícímu průřezem drátu po dobu 1 sekundy. Kromě vyjádření v ampérech se elektrický proud vyjadřuje také v miliampérech (1 mA = 10⁻⁹ ^A ), mikroampérech (1 μA = 10⁶ ^A ), nanoampérech (1 nA = 10⁻⁹ ^A ) nebo pikoampérech (1 pA = ^10⁻⁹ A).

Příklad otázky 1:

Proud o síle 2 ampérů protéká vodičem po dobu 8 sekund. Určete velikost náboje procházejícího bodem a počet elektronů v tomto náboji!
Diskuse
Je známo, že:
Elektrický proud (I) = 1 ampérů
Časový interval (t) = 2 sekund
Zeptal se: náboj (Q) a počet elektronů (e)
Odpověď:
Vzorec pro elektrický proud:
I = Q/t
Popis vzorce: I = elektrický proud, Q = elektrický náboj, t = časový interval
Elektrický náboj:
Q = I t = (2 ampéry)(8 sekund) = 16 coulombů.

Náboj jednoho elektronu je 1,6 x 10⁻¹⁹ ^Coulombů , takže náboj 16 Coulombů má tolik elektronů jako 16 C / 1,6 x ^10⁻¹⁹ Coulombů = 10 x ^10⁻¹⁹ elektronů.

Elektrický proud, rychlost driftu a hustota proudu

Uvažujme kladný náboj pohybující se doprava driftovou rychlostí v ve směru elektrického pole E ve vodiči s průřezem A. Kladný náboj se během časového intervalu t posune o vzdálenost s = vt.

Pokud je počet nabitých částic na objem (hustota nabitých částic) n a objem vodiče je A s = A vt, pak je počet nabitých částic v objemu vodiče n A v t. Pokud má každá nabitá částice náboj q, pak množství náboje, které projde koncem vodiče během časového intervalu t, je Q = nq A v t. Elektrický proud protékající koncem vodiče je tedy I = Q/t = nq A v. Zatímco hustota proudu nebo proud na plochu průřezu A je J = I/A = nq v. Lze konstatovat, že proud protékající vodičem je výsledkem násobku hustoty nabitých částic (n), velikosti náboje každé částice (q), plochy průřezu vodiče (A) a rychlosti driftu nabitých částic (v).

Prostudujte si následující příklad úlohy, abyste pochopili rozdíl mezi rychlostí každé nabité částice a rychlostí driftu všech nabitých částic.

Příklad otázky 2:

Měděným drátem s průřezem 3 x 10 protéká konstantní proud o síle 10 ampérů.^-6 m²Hustota volných elektronů je 8,4 x 10²⁸ elektrony/m³Určete driftovou rychlost volných elektronů!
Diskuse
Je známo, že:
Elektrický proud (I) = 10 ampérů
Průřez vodiče (A) = 3 x 10^-6 m²
Hustota volných elektronů (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Náboj elektronu (q) = 1,6 x 10^-19 C
Zeptal se: Rychlost volného driftu elektronů (v)
Odpověď:
Rychlost elektronů se vypočítá pomocí dříve odvozeného vzorce:

Popis: I = elektrický proud, n = hustota nabitých částic = hustota volných elektronů, q = náboj jednoho elektronu, A = plocha průřezu vodiče, v = rychlost driftu elektronů

Rychlost driftu elektronů je 0,248 x 10⁻³ ^metrů /s = 0,248 milimetrů/s.

Volné elektrony se pohybují společně ve vodiči rychlostí 0,248 milimetru za sekundu. Jinými slovy, každou sekundu se všechny volné elektrony pohybují o 0,248 milimetru. To je velmi pomalá rychlost. Pokud je pohyb volných elektronů tak pomalý, proč se elektrické světlo rozsvítí ihned po zapnutí spínače?

Abychom tomu porozuměli, představte si tok elektronů ve vodiči jako tok vody v hadici. Pokud je hadice naplněna vodou, pak pokud je jeden konec hadice připojen k vodovodnímu kohoutku, voda okamžitě vyteče z druhého konce. Podobně jsou volné elektrony v měděném drátu a drátu žárovky. Po zapnutí spínače se generuje elektrické pole s rychlostí blížící se rychlosti světla (rychlost světla = 3 x 108 ^metrů /s), což způsobí, že se volné elektrony okamžitě začnou pohybovat společně. V drátu žárovky jsou již volné elektrony, takže se žárovka okamžitě rozsvítí.