Elektrisk strøm

Definition af elektrisk strøm

Inde i en leder som kobber er der elektroner, der bevæger sig frit og tilfældigt med høje hastigheder, men som ikke undslipper metallet. Elektroner, der kan bevæge sig frit, kaldes frie elektroner. Selvom elektroner bevæger sig frit i alle retninger, er der ingen nettostrøm af elektroner i nogen bestemt retning. Denne tilstand opstår, når der ikke er nogen spændingsforskel mellem de to ender af kobbertråden.

Når ledningen er forbundet til en elektrisk kilde, opstår der en spændingsforskel mellem kobbertrådens to ender, hvilket skaber et elektrisk felt i kobbertråden. Tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt får frie elektroner til at opleve en elektrisk kraft F = q E = e E, hvor F = elektrisk kraft, e = elektronladning, E = elektrisk felt . Den elektriske kraft får alle frit bevægelige elektroner til at opleve en fælles acceleration i samme retning som den elektriske kraft.

Disse frie elektroner, der bevæger sig sammen, er placeret mellem de stationære atomer i kobbertråden, hvilket får alle elektronerne til at støde sammen med disse atomer. Disse kollisioner får de frie elektroner til at ændre deres bevægelsesretning. Alle disse elektroner er konstant udsat for en elektrisk kraft, hvilket får dem til at accelerere i samme retning som den elektriske kraft. Efter at have bevæget sig et øjeblik, støder de frie elektroner igen sammen med atomerne i kobbertråden. De frie elektroner er dog altid udsat for en elektrisk kraft, hvilket får alle elektronerne til at accelerere igen.

Så udover at bevæge sig tilfældigt i forskellige retninger, bevæger alle frie elektroner sig også langsomt sammen i retning af den elektriske kraft og i den modsatte retning af det elektriske felt. Retningen af ​​det elektriske felt er fra højt elektrisk potentiale til lavt elektrisk potentiale, mens elektronerne bevæger sig fra lavt potentiale til højt potentiale. Den tilfældige bevægelse af hver fri elektron har en meget hurtig hastighed, mens den kollektive bevægelse af de frie elektroner i retning af den elektriske kraft har en meget langsom hastighed. Denne kollektive bevægelse af de frie elektroner i retning af den elektriske kraft kaldes også drifthastighed.

Elektrisk strøm defineres som strømmen af ​​elektrisk ladning gennem et tværsnit af en leder over et bestemt tidsinterval. Ifølge konventionen er retningen af ​​elektrisk strøm den samme som bevægelsesretningen af ​​positive ladninger. Denne aftale blev indgået, før det var kendt, at det, der rent faktisk bevæger sig i en leder, er frie, negativt ladede elektroner. Retningen af ​​elektronbevægelse i en leder er modsat retningen af ​​elektrisk strøm. Derfor, når man diskuterer strømmen, der flyder i en leder, menes strømmen af ​​positive ladninger, også kendt som konventionel strøm, fordi den er resultatet af denne aftale.

Formel for elektrisk strøm

Matematisk udtrykkes elektrisk strøm ved ligningen:
I = ΔQ / Δt
Formelbeskrivelse: I = elektrisk strøm, ΔQ = mængde elektrisk ladning, Δt = tidsinterval.

Enhed for elektrisk strøm

Enheden for elektrisk ladning er Coulomb, tidsenheden er sekund, så enheden for elektrisk strøm er Coulomb/sekund. Coulomb/sekund kaldes også ampere , opkaldt efter den franske fysiker André Marie Ampere (1775-1836). 1 ampere = 1 Coulomb/sekund (1 A = 1 C/s). Med andre ord er en elektrisk strøm på 1 ampere lig med en elektrisk ladning på 1 Coulomb, der passerer gennem et tværsnitsareal af en ledning i 1 sekund. Udover at blive udtrykt i ampere, udtrykkes elektrisk strøm også i milliampere (1 mA = 10-3 ^A ), mikroampere (1 μA = ^10-6 A), nanoampere (1 nA = 10-9 ^A ) eller picoampere (1 pA = ^10-12 A).

Eksempelspørgsmål 1:

En strøm på 2 ampere løber gennem en ledning i 8 sekunder. Bestem størrelsen af ​​den ladning, der passerer gennem et punkt, og antallet af elektroner i den ladning!
Diskussion
Det er kendt, at:
Elektrisk strøm (I) = 1 ampere
Tidsinterval (t) = 2 sekunder
Spurgte: ladning (Q) og antal elektroner (e)
Svar:
Formel for elektrisk strøm:
I = Q/t
Formelbeskrivelse: I = elektrisk strøm, Q = elektrisk ladning, t = tidsinterval
Elektrisk ladning:
Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 Coulomb.

Ladningen for én elektron er 1,6 x 10⁻⁶ ^Coulomb , så en ladning på 16 Coulomb har lige så mange elektroner som 16 C / 1,6 x 10⁻⁶ ^Coulomb = 10 x ^10⁻⁶ elektroner.

Elektrisk strøm, drifthastighed og strømtæthed

Betragt en positiv ladning, der bevæger sig til højre med drifthastighed v i retning af et elektrisk felt E i en leder med tværsnitsareal A. Den positive ladning bevæger sig en afstand s = vt i løbet af et tidsinterval t.

Hvis antallet af ladede partikler pr. volumen (ladet partikeldensitet) er n, og lederens volumen er A s = A vt, så er antallet af ladede partikler i lederens volumen n A v t. Hvis hver ladet partikel har en ladning på q, så er mængden af ​​ladning, der passerer gennem lederens ende i tidsintervallet t, Q = nq A v t. Så den elektriske strøm, der flyder gennem lederens ende, er I = Q/t = nq A v. Mens strømdensiteten eller strømmen pr. tværsnitsareal A er J = I/A = nq v. Det kan konkluderes, at strømmen, der flyder i lederen, er resultatet af multiplikationen af ​​densiteten af ​​ladede partikler (n), størrelsen af ​​ladningen for hver partikel (q), lederens tværsnitsareal (A) og drifthastigheden for de ladede partikler (v).

Studer følgende eksempelproblem for at forstå forskellen mellem hastigheden af ​​hver ladet partikel og drifthastigheden af ​​alle ladede partikler.

Eksempelspørgsmål 2:

En konstant strøm på 10 ampere flyder gennem en kobbertråd med et tværsnitsareal på 3 x 10^-6 m²Den frie elektrontæthed er 8,4 x 10²⁸ elektroner/m³Bestem drifthastigheden for de frie elektroner!
Diskussion
Det er kendt, at:
Elektrisk strøm (I) = 10 ampere
Trådens tværsnitsareal (A) = 3 x 10^-6 m²
Fri elektrontæthed (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronladning (q) = 1,6 x 10^-19 C
Spurgte: Fri elektrondriftshastighed (v)
Svar:
Elektronernes hastighed beregnes ved hjælp af den tidligere afledte formel:

Beskrivelse: I = elektrisk strøm, n = densitet af ladede partikler = densitet af frie elektroner, q = ladning af én elektron, A = lederens tværsnitsareal, v = elektronernes drifthastighed

Elektronens drifthastighed er 0,248 x 10-3 ^meter /sekund = 0,248 millimeter/sekund.

Frie elektroner bevæger sig sammen i en ledning med en hastighed på 0,248 millimeter pr. sekund. Med andre ord bevæger alle de frie elektroner sig 0,248 millimeter hvert sekund. Dette er en meget langsom hastighed. Hvis bevægelsen af ​​frie elektroner er så langsom, hvorfor tænder et elektrisk lys så med det samme, efter at kontakten er tændt?

For at forstå dette, skal man betragte elektronstrømmen i en leder som vandstrømmen i en slange. Hvis slangen er fyldt med vand, vil vand straks strømme ud af den anden ende, hvis den ene ende af slangen er forbundet til en vandhane. Tilsvarende er der frie elektroner i kobbertråden og pærens ledning. Når kontakten tændes, genereres et elektrisk felt med en hastighed, der nærmer sig lysets hastighed (lysets hastighed = 3 x 108 ^meter /sekund), hvilket får de frie elektroner til øjeblikkeligt at begynde at bevæge sig sammen. Der er allerede frie elektroner i pærens ledning, så pæren tændes med det samme.