Elektrisk strøm

Definition af elektrisk strøm

I en leder som kobber er der elektroner, der bevæger sig tilfældigt frit med høj hastighed, men som ikke undslipper metallet. Elektroner, der kan bevæge sig frit, kaldes frie elektroner. Selvom elektronerne bevæger sig frit i alle retninger, er der ikke en samlet strøm af elektroner i en 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, således at der opstår et elektrisk felt inde i kobbertråden. Eksistensen af ​​et elektrisk felt får frie elektroner til at opleve den elektriske kraft F = q E = e E, hvor F = elektrisk kraft , e = elektronladning, E = elektrisk felt . Denne elektriske kraft får alle de elektroner, der bevæger sig frit, til at accelerere sammen, hvilket er i samme retning som den elektriske kraft.

De frie elektroner, der bevæger sig sammen, befinder sig mellem de atomer, der forbliver i kobbertråden, så alle elektronerne støder sammen med atomerne. Kollisionen får de frie elektroners retning til at ændre sig. Alle disse elektroner oplever altid en elektrisk kraft, så alle elektronerne accelereres i samme retning som den elektriske krafts retning. Efter at have bevæget sig et øjeblik, støder frie elektroner sammen med atomer i kobbertråden. Men frie elektroner oplever altid en elektrisk kraft, så alle elektroner accelereres 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 et højt elektrisk potentiale til et lavt elektrisk potentiale, mens elektronerne bevæger sig fra et lavt potentiale til et højt potentiale. Den tilfældige bevægelse af hver fri elektron har en meget hurtig hastighed, mens bevægelsen med frie elektroner i retning af den elektriske kraft har en meget langsom hastighed. Denne bevægelse med 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 i et bestemt tidsinterval. I overensstemmelse med aftalen er retningen af ​​den elektriske strøm den samme som retningen af ​​den positive ladning. Denne aftale blev indgået, før man vidste, at det, der rent faktisk bevæger sig i en leder, er de negativt ladede frie elektroner. Retningen af ​​elektronernes bevægelse i lederen er modsat retningen af ​​den elektriske strøm. Så hvis vi diskuterer strømmen, der flyder i lederen, menes der strømmen af ​​positiv ladning, som også kaldes konventionel strøm, fordi den er resultatet af en aftale.

Ligningen for elektrisk strøm

Matematisk udtrykkes elektrisk strøm ved ligningen:

I = ΔQ / Δt

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, navnet på 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 elektriske strømme 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 ).

Eksempel på problem 1:

En strøm på 2 ampere løber gennem ledningen i 8 sekunder. Bestem mængden af ​​ladning, der passerer gennem et punkt, og antallet af elektroner i den ladning!

kendt:

Elektrisk strøm (I) = 1 ampere

Tidsinterval (t) = 2 sekunder

Ønsket: ladning (Q) og antal elektroner (e)

Opløsning:

Ligning for elektrisk strøm:

I = Q/t

I = elektrisk strøm, Q = elektrisk ladning, t = tidsinterval

Elektrisk ladning:

Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 C.

Ladningen for én elektron er 1.6 x 10⁻¹⁴ ^Coulomb , så ladningen på 16 Coulomb har lige så mange elektroner som 16 C / 1.6 x ^10⁻¹⁴ Coulomb = 10 x ^10⁻¹⁴ elektroner.

Elektrisk strøm, drifthastighed og strømtæthed

Gennemgå den positive ladning, der bevæger sig med hastigheden v til højre og driver i retning af det elektriske felt E.

på en leder med et tværsnitsareal A. Positiv ladning bevæger sig så langt som s = vt i tidsintervallet t.

Hvis antallet af ladede partikler pr. volumen (densiteten af ​​ladede partikler) 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 intervallet t, Q = nq A v t. Så den elektriske strøm, der flyder gennem lederens spids, er I = Q / t = nq A v. Hvorimod strømtætheden eller strømmen pr. tværsnitsareal A er J = I / A = nq v.

Det kan konkluderes, at strømmen, der flyder i lederen, er produktet af multiplikationen af ​​densiteten af ​​de ladede partikler (n),

mængden af ​​ladning for hver partikel (q), lederens areal (A) og hastigheden af ​​ladede partikler (v).

Studér følgende eksempelspørgsmål.

Eksempel på problem 2:

En konstant strøm på 10 ampere flyder gennem en kobbertråd med et tværsnitsareal på 3 x 10⁻⁶ ^m² . Den frie elektrontæthed er 8.4 x ^10⁶² elektroner/m³ ^. Bestem hastigheden af ​​den frie elektrondrift^!

kendt:

Elektrisk strøm (I) = 10 ampere

Trådens tværsnitsareal (A) = 3 ^{x 10-6} m²

Fri elektrontæthed (n) = 8.4 x 10^ ²⁸ m ^-3

Elektronladning (q) = 1.6 x ^10-19 C

Ønsket: Hastighed af fri elektrondrift (v)

Opløsning:

Elektronernes hastighed beregnes ved hjælp af en formel, der er blevet udledt tidligere:

I = elektrisk strøm, n = densitet af ladede partikler = elektrondensitet, q = én elektronladning, A = lederens tværsnitsareal, v = elektrondriftens hastighed

Elektrondriftens hastighed er 0.248 x 10-3 ^meter /sekund = 0.248 millimeter/sekund.

Frie elektroner bevæger sig sammen i en ledning med hastigheder på 0.248 millimeter pr. sekund. Med andre ord bevæger alle frie elektroner sig så langt som 0.248 millimeter hvert eneste sekund. Dette er en meget langsom hastighed. Hvis bevægelsen af ​​frie elektroner er meget langsom, hvorfor tænder det elektriske lys så med det samme, efter at kontakten er tændt?

For at forstå dette, flyder elektroner i lederen ligesom vandstrømmen inde i slangen. Hvis slangen er fyldt med vand, og den ene ende af slangen er forbundet til vandhanen, flyder vandet straks ud fra den ene ende af den anden slange. Ligeledes er der frie elektroner i kobbertråden og pærens ledning. Når kontakten tændes, opstår der et elektrisk felt med en hastighed, der nærmer sig lysets hastighed (lysets hastighed = 3 x 10⁶ ^meter /sekund), hvilket får frie elektroner til at bevæge sig sammen i det øjeblik. Der er allerede frie elektroner i pærens ledning, så lyset er tændt i netop det øjeblik.

Problemer og løsninger

1. En konstant strøm på 10 A er i en ledning i 2 minutter. Hvor stor en del af ladningen passerer gennem lederen på et hvilket som helst sted.

Kendt:

Elektrisk strøm (I) = 10 A

Tidsinterval (t) = 2 minutter = 2 x 60 sekunder = 120 sekunder

Ønskes: Opladning (Q)

opløsning:

Ligning for den elektriske strøm:

I = q/t

I = den elektriske strøm, q = den elektriske ladning, t = tidsintervallet

Den elektriske ladning:

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

2. En ladning på 60 C passerer forbi et punkt i kredsløbet i 5 minutter. Hvad er den elektriske strøm?

Kendt:

Tidsintervallet (t) = 5 minutter = 5 x 60 sekunder = 300 sekunder

Den elektriske ladning (Q) = 60 C

Ønskes: Den elektriske strøm (I)

opløsning:

Den elektriske strøm:

I = Q/t

I = 60 / 300

I = 0.2 Coulomb/sekund

I = 0.2 ampere

3. Enheden for elektrisk strøm i SI-systemet er…

Løsning

Coulomb/sekund

Coulomb/sekunder, givet et særligt navn, ampere.