Diffiniad o Gerrynt Trydanol
Mewn dargludydd fel copr, mae electronau sy'n symud ar hap ar gyflymder uchel yn rhydd ond nad ydynt yn dianc o'r metel. Gelwir electronau sy'n gallu symud yn rhydd yn electronau rhydd. Er bod yr electronau'n symud yn rhydd i bob cyfeiriad, nid oes llif cyflawn o electronau i gyfeiriad penodol. Mae'r cyflwr hwn yn digwydd pan nad oes gwahaniaeth potensial rhwng dau ben y wifren gopr.
Pan gysylltir y wifren â ffynhonnell drydanol, mae gwahaniaeth potensial yn codi rhwng dau ben y wifren gopr, fel bod maes trydanol yn ymddangos o fewn y wifren gopr. Mae bodolaeth maes trydanol yn achosi i electronau rhydd brofi'r grym trydanol F = q E = e E, lle mae F = grym trydanol, e = gwefr electron, E = maes trydanolMae'r grym trydanol hwn yn achosi i'r holl electronau sy'n symud yn rhydd gyflymu gyda'i gilydd, sef yr un cyfeiriad â'r grym trydanol.
Mae'r electronau rhydd sy'n symud gyda'i gilydd rhwng yr atomau sy'n weddill yn y wifren gopr fel bod yr holl electronau'n gwrthdaro â'r atomau. Mae'r gwrthdrawiad yn achosi i gyfeiriad yr electronau rhydd newid. Mae'r holl electronau hyn bob amser yn profi grym trydanol fel bod yr holl electronau'n cael eu cyflymu i'r un cyfeiriad â chyfeiriad y grym trydanol. Ar ôl symud am eiliad, mae electronau rhydd yn gwrthdaro ag atomau mewn gwifren gopr. Ond mae electronau rhydd bob amser yn profi grym trydanol fel bod yr holl electronau'n cael eu cyflymu eto. Felly ar wahân i symud ar hap i wahanol gyfeiriadau, mae'r holl electronau rhydd hefyd yn symud yn araf gyda'i gilydd i gyfeiriad y grym trydanol ac i'r cyfeiriad gyferbyn â'r 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 y symudiad gydag electronau rhydd i gyfeiriad y grym trydanol gyflymder araf iawn. Gelwir y symudiad hwn gydag electronau rhydd i gyfeiriad y grym trydanol hefyd yn ... cyflymder drifft.
Diffinnir cerrynt trydanol fel llif gwefr drydanol trwy groestoriad o ddargludydd yn ystod cyfnod penodol o amser. Yn unol â'r cytundeb, mae cyfeiriad y cerrynt trydanol yr un fath â chyfeiriad y gwefr bositif. Gwnaed y cytundeb hwn cyn ei bod yn hysbys mai'r hyn sy'n symud mewn gwirionedd mewn dargludydd yw'r electronau rhydd â gwefr negyddol. Mae cyfeiriad symudiad electronau yn y dargludydd yn groes i gyfeiriad y cerrynt trydanol. Felly os trafodwn y cerrynt sy'n llifo yn y dargludydd, yr hyn a olygir yw llif gwefr bositif, a elwir hefyd yn gerrynt confensiynol oherwydd ei fod yn ganlyniad cytundeb.
Hafaliad y cerrynt trydanol
Yn fathemategol, mynegir cerrynt trydan gan yr hafaliad:
Fi = ΔC / Δt
I = cerrynt trydanol, ΔQ = faint o wefr drydanol, Δt = cyfwng amser.
Uned o gerrynt trydanol
Uned gwefr drydanol yw Coulomb, uned amser yw eiliad, felly uned cerrynt trydanol yw Coulomb/eiliad. Gelwir Coulomb/eiliad hefyd yn Ampere, enw'r 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 sy'n mynd trwy arwynebedd trawsdoriadol o wifren am 1 eiliad. Yn ogystal â chael ei fynegi mewn Amperes, mynegir ceryntau trydanol hefyd mewn miliamperes (1 mA = 10-3 A), microamperau (1 μA = 10-6 A), nano amperes (1 NA = 10-9 A) neu picoamperes (1 pA = 1012- A).
Problem enghreifftiol 1:
Mae cerrynt o 2 Ampere yn llifo drwy'r wifren am 8 eiliad. Pennwch faint o wefr sy'n mynd drwy bwynt a nifer yr electronau yn y wefr honno!
Hysbys:
Cerrynt trydanol (I) = 1 Ampere
Ysbaid amser (t) = 2 eiliad
SE busca: gwefr (Q) a nifer yr electronau (e)
Ateb:
Hafaliad cerrynt trydanol:
I = Q/t
I = cerrynt trydanol, Q = gwefr drydanol, t = cyfnod amser
Gwefr drydanol:
Q = I t = (2 Ampere)(8 eiliad) = 16 C.
Gwefr un electron yw 1.6 x 1019- Coulomb, felly mae gan wefr 16 Coulomb gymaint o electronau â 16 C / 1.6 x 1019- Coulomb = 10 x 1019 electronau.
Cerrynt trydanol, cyflymder drifft, a dwysedd cerrynt
Adolygwch y gwefr bositif sy'n symud i'r dde gyda'r cyflymder, gan ddrifftio v i gyfeiriad y maes trydan E
ar ddargludydd sydd ag arwynebedd trawsdoriadol A. Mae gwefr bositif yn symud cyn belled ag s = vt yn ystod y cyfnod amser t.
Os yw nifer y gronynnau gwefredig fesul cyfaint (dwysedd y 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 y cyfnod t yw Q = nq A v t. Felly, y cerrynt trydanol sy'n llifo trwy flaen y dargludydd yw I = Q / t = nq A v. Tra bod dwysedd y cerrynt neu'r cerrynt fesul arwynebedd trawsdoriadol A yn J = I / A = nq v.
Gellir dod i'r casgliad mai'r cerrynt sy'n llifo yn y dargludydd yw cynnyrch lluosogi dwysedd y gronynnau gwefredig (n),
faint o wefr ar gyfer pob gronyn (q), arwynebedd y dargludydd (A) a chyflymder y gronynnau â gwefr (v).
Astudiwch y cwestiynau enghreifftiol canlynol.
Problem enghreifftiol 2:
Mae cerrynt cyson o 10 ampère yn llifo mewn gwifren gopr gydag arwynebedd trawsdoriad o 3 x 10-6 m2Dwysedd yr electronau rhydd yw 8.4 x 1028 electronau/m3Pennwch gyflymder drifft electronau rhydd!
Hysbys:
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
SE busca: Cyflymder drifft electronau rhydd (v)
Ateb:
Cyfrifir cyflymder electronau gan ddefnyddio fformiwla sydd wedi'i deillio o'r blaen:
I = cerrynt trydanol, n = dwysedd gronynnau gwefredig = dwysedd electronau, q = un gwefr electron, A = arwynebedd trawsdoriadol y dargludydd, v = cyflymder drifft electronau
Cyflymder drifft 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 pob electron rhydd yn symud hyd at 0.248 milimetr. Mae hwn yn gyflymder araf iawn. Os yw symudiad electronau rhydd yn araf iawn, pam mae'r golau trydan yn troi ymlaen yn syth ar ôl i'r switsh gael ei droi ymlaen?
I ddeall hyn, mae electronau'n llifo yn y dargludydd fel llif dŵr y tu mewn i'r bibell. Os yw'r bibell wedi'i llenwi â dŵr, yna os yw un pen o'r bibell wedi'i gysylltu â'r tap, mae'r dŵr yn llifo allan ar unwaith o un pen o'r bibell arall. Yn yr un modd, mae electronau rhydd yn y wifren gopr a gwifren y bylbyn golau. Pan fydd y switsh yn cael ei droi ymlaen, mae maes trydan yn codi gyda chyflymder sy'n agosáu at gyflymder golau (cyflymder golau = 3 x 108 metr/eiliad), sy'n achosi i electronau rhydd ddechrau symud gyda'i gilydd ar y foment honno. Mae electronau rhydd eisoes yng ngwifren y bylbyn golau fel bod y golau ymlaen ar yr union foment honno.
Problemau ac atebion
1. Mae cerrynt cyson o 10 A yn bodoli mewn gwifren am 2 funud. Faint o'r swm o ddim yn mynd trwy'r dargludydd mewn unrhyw leoliad.
Adnabyddus:
Cerrynt trydanol (I) = 10 A
Ysbaid amser (t) = 2 funud = 2 x 60 eiliad = 120 eiliad
Eisiau: Gwefr (Q)
Datrysiad:
Hafaliad y cerrynt trydanol:
I = q/t
I = y cerrynt trydanol, q = y gwefr drydanol, t = y cyfwng amser
Y gwefr drydanol:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Mae 60 C o wefr yn mynd heibio i bwynt yn y gylched am 5 munud. Beth yw'r cerrynt trydanol?
Adnabyddus:
Y cyfnod amser (t) = 5 munud = 5 x 60 eiliad = 300 eiliad
Y gwefr drydanol (Q) = 60 C
Eisiau: Y cerrynt trydanol (I)
Datrysiad:
Y cerrynt trydanol:
I = Q/t
I = 60 / 300
I = 0.2 Coulombs/eiliad
I = 0.2 Ampere
3. Uned cerrynt trydanol yn y system SI yw…
Ateb
Coulombs/eiliad
Coulombs/eiliad, wedi'i roi i enw arbennig, yr Ampere.
