Diffiniad o gerrynt trydan
Y tu mewn i ddargludydd fel copr, mae electronau sy'n symud yn rhydd ac ar hap ar gyflymder uchel ond nad ydynt yn dianc o'r metel. Gelwir electronau sy'n gallu symud yn rhydd yn electronau rhydd. Er bod electronau'n symud yn rhydd i bob cyfeiriad, nid oes llif net o electronau i unrhyw gyfeiriad penodol. Mae'r cyflwr hwn yn digwydd pan nad oes gwahaniaeth potensial rhwng dau ben y wifren gopr.
Pan fydd y wifren wedi'i chysylltu â ffynhonnell drydanol, mae gwahaniaeth potensial yn codi rhwng dau ben y wifren gopr, gan greu maes trydanol yn y wifren gopr. Mae presenoldeb maes trydanol yn achosi i electronau rhydd brofi grym trydanol F = q E = e E, lle mae F = grym trydanol, e = gwefr electron, E = maes trydanol . Mae'r grym trydanol yn achosi i bob electron sy'n symud yn rhydd brofi cyflymiad cyffredin i'r un cyfeiriad â'r grym trydanol.
Mae'r electronau rhydd hyn, sy'n symud gyda'i gilydd, wedi'u lleoli rhwng yr atomau llonydd yn y wifren gopr, gan achosi i'r holl electronau wrthdaro â'r atomau hyn. Mae'r gwrthdrawiadau hyn yn achosi i'r electronau rhydd newid cyfeiriad eu symudiad. Mae'r holl electronau hyn yn gyson dan rym trydanol, gan achosi iddynt gyflymu i'r un cyfeiriad â'r grym trydanol. Ar ôl symud am eiliad, mae'r electronau rhydd yn gwrthdaro eto â'r atomau yn y wifren gopr. Fodd bynnag, mae'r electronau rhydd bob amser dan rym trydanol, gan achosi i'r holl electronau gyflymu eto.
Felly, yn ogystal â symud ar hap i wahanol gyfeiriadau, mae'r holl electronau rhydd hefyd yn symud gyda'i gilydd yn araf i gyfeiriad y grym trydanol ac i gyfeiriad arall y maes trydanol. Cyfeiriad y maes trydanol yw o botensial trydanol uchel i botensial trydanol isel, tra bod yr electronau'n symud o botensial isel i botensial uchel. Mae gan symudiad ar hap pob electron rhydd gyflymder cyflym iawn, tra bod gan symudiad cyfunol yr electronau rhydd i gyfeiriad y grym trydanol gyflymder araf iawn. Gelwir y symudiad cyfunol hwn o'r electronau rhydd i gyfeiriad y grym trydanol hefyd yn gyflymder drifft.
Diffinnir cerrynt trydanol fel llif gwefr drydanol trwy groestoriad o ddargludydd dros gyfnod penodol o amser. Yn ôl confensiwn, mae cyfeiriad cerrynt trydanol yr un fath â chyfeiriad symudiad gwefrau positif. Gwnaed y cytundeb hwn cyn ei bod yn hysbys mai electronau rhydd, â gwefr negyddol sy'n symud mewn gwirionedd mewn dargludydd. Mae cyfeiriad symudiad electronau mewn dargludydd yn groes i gyfeiriad cerrynt trydanol. Felly, wrth drafod y cerrynt sy'n llifo mewn dargludydd, yr hyn a olygir yw llif gwefrau positif, a elwir hefyd yn gerrynt confensiynol oherwydd ei fod yn ganlyniad i'r cytundeb hwn.
Fformiwla cerrynt trydanol
Yn fathemategol, mynegir cerrynt trydan gan yr hafaliad:
I = ΔQ / Δt
Disgrifiad o'r fformiwla: I = cerrynt trydanol, ΔQ = faint o wefr drydanol, Δt = cyfnod amser.
Uned o gerrynt trydanol
Uned gwefr drydanol yw'r Coulomb, uned amser yw'r eiliad, felly uned cerrynt trydanol yw'r Coulomb/eiliad. Gelwir Coulomb/eiliad hefyd yn Ampere , wedi'i enwi ar ôl y ffisegydd Ffrengig, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/eiliad (1 A = 1 C/s). Mewn geiriau eraill, mae cerrynt trydanol o 1 Ampere yn hafal i wefr drydanol o 1 Coulomb yn mynd trwy arwynebedd trawsdoriadol o wifren am 1 eiliad. Yn ogystal â chael ei fynegi mewn Amperes, mynegir cerrynt trydanol hefyd mewn miliamperes (1 mA = 10-3 A ), microamperes (1 μA = 10-6 A ), nanoamperes (1 nA = 10-9 A ) neu picoamperes (1 pA = 10-12 A).
Cwestiwn enghreifftiol 1:
Mae cerrynt o 2 Ampere yn llifo trwy wifren am 8 eiliad. Pennwch faint y gwefr sy'n mynd trwy bwynt a nifer yr electronau yn y wefr honno!
Trafodaeth
Mae'n hysbys bod:
Cerrynt trydanol (I) = 1 Ampere
Cyfwng amser (t) = 2 eiliad
Gofynnwyd: gwefr (Q) a nifer yr electronau (e)
Ateb:
Fformiwla cerrynt trydanol:
I = Q/t
Disgrifiad o'r fformiwla: I = cerrynt trydanol, Q = gwefr drydanol, t = cyfnod amser
Gwefr drydanol:
Q = I t = (2 Ampere)(8 eiliad) = 16 Coulomb.
Mae gwefr un electron yn 1,6 x 10-19 Coulomb felly mae gan wefr o 16 Coulomb gymaint o electronau â 16 C / 1,6 x 10-19 Coulomb = 10 x 10-19 electron.
Cerrynt trydanol, cyflymder drifft a dwysedd cerrynt
Ystyriwch wefr bositif yn symud i'r dde gyda chyflymder drifft v i gyfeiriad maes trydan E mewn dargludydd gydag arwynebedd trawsdoriadol A. Mae'r wefr bositif yn symud pellter s = vt yn ystod cyfnod amser t.
Os yw nifer y gronynnau gwefredig fesul cyfaint (dwysedd gronynnau gwefredig) yn n a chyfaint y dargludydd yn A s = A vt, yna nifer y gronynnau gwefredig yng nghyfaint y dargludydd yw n A v t. Os oes gan bob gronyn gwefredig wefr o q yna faint o wefr sy'n mynd trwy ben y dargludydd yn ystod yr amser t yw Q = nq A v t. Felly'r cerrynt trydanol sy'n llifo trwy ben y dargludydd yw I = Q/t = nq A v. Tra bod y dwysedd cerrynt neu'r cerrynt fesul arwynebedd trawsdoriadol A yn J = I/A = nq v. Gellir dod i'r casgliad bod y cerrynt sy'n llifo yn y dargludydd yn ganlyniad lluosi dwysedd y gronynnau gwefredig (n), maint gwefr pob gronyn (q), arwynebedd trawsdoriadol y dargludydd (A) a chyflymder drifft y gronynnau gwefredig (v).
Astudiwch y broblem enghreifftiol ganlynol i ddeall y gwahaniaeth rhwng cyflymder pob gronyn â gwefr a chyflymder drifft yr holl ronynnau â gwefr.
Cwestiwn enghreifftiol 2:
Mae cerrynt cyson o 10 Ampere yn llifo mewn gwifren gopr gydag arwynebedd trawsdoriadol o 3 x 10-6 m2Dwysedd yr electronau rhydd yw 8,4 x 1028 electronau/m3Pennwch gyflymder drifft yr electronau rhydd!
Trafodaeth
Mae'n hysbys bod:
Cerrynt trydanol (I) = 10 Ampere
Arwynebedd trawsdoriadol gwifren (A) = 3 x 10-6 m2
Dwysedd electronau rhydd (n) = 8,4 x 1028 m-3
Gwefr electron (q) = 1,6 x 1019- C
Gofynnwyd: Cyflymder drifft electronau rhydd (v)
Ateb:
Cyfrifir cyflymder electronau gan ddefnyddio'r fformiwla a ddeilliwyd yn flaenorol:
Disgrifiad: I = cerrynt trydanol, n = dwysedd gronynnau gwefredig = dwysedd electronau rhydd, q = gwefr un electron, A = arwynebedd trawsdoriadol y dargludydd, v = cyflymder drifft electronau
Cyflymder drifft yr electronau yw 0,248 x 10-3 metr /eiliad = 0,248 milimetr/eiliad.
Mae electronau rhydd yn symud gyda'i gilydd mewn gwifren ar gyflymder o 0,248 milimetr yr eiliad. Mewn geiriau eraill, bob eiliad mae'r holl electronau rhydd yn symud 0,248 milimetr. Mae hwn yn gyflymder araf iawn. Os yw symudiad electronau rhydd mor araf, pam mae golau trydan yn troi ymlaen yn syth ar ôl i'r switsh gael ei droi ymlaen?
I ddeall hyn, ystyriwch lif electronau mewn dargludydd fel llif dŵr mewn pibell. Os yw'r bibell wedi'i llenwi â dŵr, yna os yw un pen o'r bibell wedi'i gysylltu â thap, bydd dŵr yn llifo allan o'r pen arall ar unwaith. Yn yr un modd, mae electronau rhydd yn y wifren gopr a gwifren y bwlb golau. Pan fydd y switsh yn cael ei droi ymlaen, cynhyrchir maes trydanol gyda chyflymder sy'n agosáu at gyflymder golau (cyflymder golau = 3 x 108 metr /eiliad), sy'n achosi i'r electronau rhydd ddechrau symud gyda'i gilydd ar unwaith. Mae electronau rhydd eisoes yng ngwifren y bwlb golau, felly mae'r bwlb golau yn troi ymlaen ar unwaith.
