Ηλεκτρικό ρεύμα

Ορισμός του ηλεκτρικού ρεύματος

Μέσα σε έναν αγωγό όπως ο χαλκός, υπάρχουν ηλεκτρόνια που κινούνται ελεύθερα και τυχαία με υψηλές ταχύτητες, αλλά δεν διαφεύγουν από το μέταλλο. Τα ηλεκτρόνια που μπορούν να κινούνται ελεύθερα ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αν και τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα προς όλες τις κατευθύνσεις, δεν υπάρχει καθαρή ροή ηλεκτρονίων προς κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτή η κατάσταση συμβαίνει όταν δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων του χάλκινου σύρματος.

Όταν το σύρμα συνδέεται σε μια ηλεκτρική πηγή, δημιουργείται διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων του χάλκινου σύρματος, δημιουργώντας έτσι ένα ηλεκτρικό πεδίο στο χάλκινο σύρμα. Η παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί την άσκηση ηλεκτρικής δύναμης στα ελεύθερα ηλεκτρόνια F = q E = e E, όπου F = ηλεκτρική δύναμη, e = φορτίο ηλεκτρονίου, E = ηλεκτρικό πεδίο . Η ηλεκτρική δύναμη προκαλεί την άσκηση κοινής επιτάχυνσης σε όλα τα ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια προς την ίδια κατεύθυνση με την ηλεκτρική δύναμη.

Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, κινούμενα μαζί, βρίσκονται ανάμεσα στα ακίνητα άτομα στο χάλκινο σύρμα, προκαλώντας τη σύγκρουση όλων των ηλεκτρονίων με αυτά τα άτομα. Αυτές οι συγκρούσεις προκαλούν την αλλαγή της κατεύθυνσης της κίνησής τους από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Όλα αυτά τα ηλεκτρόνια υπόκεινται συνεχώς σε μια ηλεκτρική δύναμη, η οποία τα αναγκάζει να επιταχύνουν προς την ίδια κατεύθυνση με την ηλεκτρική δύναμη. Αφού κινηθούν για μια στιγμή, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται ξανά με τα άτομα στο χάλκινο σύρμα. Ωστόσο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπόκεινται πάντα σε μια ηλεκτρική δύναμη, η οποία προκαλεί την επιτάχυνση όλων των ηλεκτρονίων ξανά.

Έτσι, εκτός από την τυχαία κίνηση σε διάφορες κατευθύνσεις, όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται επίσης αργά προς την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης και προς την αντίθετη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι από υψηλό ηλεκτρικό δυναμικό προς χαμηλό ηλεκτρικό δυναμικό, ενώ τα ηλεκτρόνια κινούνται από χαμηλό δυναμικό προς υψηλό δυναμικό. Η τυχαία κίνηση κάθε ελεύθερου ηλεκτρονίου έχει πολύ μεγάλη ταχύτητα, ενώ η συλλογική κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης έχει πολύ αργή ταχύτητα. Αυτή η συλλογική κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης ονομάζεται επίσης ταχύτητα ολίσθησης.

Το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται ως η ροή ηλεκτρικού φορτίου μέσω μιας διατομής ενός αγωγού σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Κατά σύμβαση, η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ίδια με την κατεύθυνση κίνησης των θετικών φορτίων. Αυτή η συμφωνία είχε γίνει πριν γίνει γνωστό ότι αυτό που πραγματικά κινείται σε έναν αγωγό είναι ελεύθερα, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η κατεύθυνση κίνησης των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό είναι αντίθετη από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, όταν συζητάμε για το ρεύμα που ρέει σε έναν αγωγό, αυτό που εννοούμε είναι η ροή θετικών φορτίων, επίσης γνωστή ως συμβατικό ρεύμα επειδή είναι το αποτέλεσμα αυτής της συμφωνίας.

Τύπος ηλεκτρικού ρεύματος

Μαθηματικά, το ηλεκτρικό ρεύμα εκφράζεται από την εξίσωση:
I = ΔQ / Δt
Περιγραφή τύπου: I = ηλεκτρικό ρεύμα, ΔQ = ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου, Δt = χρονικό διάστημα.

Μονάδα ηλεκτρικού ρεύματος

Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Κουλόμπ, η μονάδα χρόνου είναι το δευτερόλεπτο, επομένως η μονάδα ηλεκτρικού ρεύματος είναι το Κουλόμπ/δευτερόλεπτο. Το Κουλόμπ/δευτερόλεπτο ονομάζεται επίσης Αμπέρ , από τον Γάλλο φυσικό Αντρέ Μαρί Αμπέρ (1775-1836). 1 Αμπέρ = 1 Κουλόμπ/δευτερόλεπτο (1 A = 1 C/s). Με άλλα λόγια, ένα ηλεκτρικό ρεύμα 1 Αμπέρ ισούται με ένα ηλεκτρικό φορτίο 1 Κουλόμπ που διέρχεται από μια διατομή σύρματος για 1 δευτερόλεπτο. Εκτός από το ότι εκφράζεται σε Αμπέρ, το ηλεκτρικό ρεύμα εκφράζεται επίσης σε μιλιαμπέρ (1 mA = 10-3 ^A ), μικροαμπέρ (1 μA = 10-6 ^A ), νανοαμπέρ (1 nA = 10-9 ^A ) ή πικοαμπέρ (1 pA = 10-12 ^A ).

Παράδειγμα ερώτησης 1:

Ένα ρεύμα 2 Αμπέρ ρέει μέσα από ένα σύρμα για 8 δευτερόλεπτα. Προσδιορίστε το μέγεθος του φορτίου που διέρχεται από ένα σημείο και τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε αυτό το φορτίο!
Συζήτηση
Είναι γνωστό ότι:
Ηλεκτρικό ρεύμα (I) = 1 Αμπέρ
Χρονικό διάστημα (t) = 2 δευτερόλεπτο
Ερωτηθείς: φορτίο (Q) και αριθμός ηλεκτρονίων (e)
Απάντηση:
Τύπος ηλεκτρικού ρεύματος:
I = Q/t
Περιγραφή τύπου: I = ηλεκτρικό ρεύμα, Q = ηλεκτρικό φορτίο, t = χρονικό διάστημα
Ηλεκτρικό φορτίο:
Q = I t = (2 Αμπέρ)(8 δευτερόλεπτα) = 16 Κουλόμπ.

Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι 1,6 x 10-19 ^Coulombs , επομένως ένα φορτίο 16 Coulombs έχει τόσα ηλεκτρόνια όσα και 16 C / 1,6 x ^10-19 Coulombs = 10 x 10 ¹⁹ ηλεκτρόνια.

Ηλεκτρικό ρεύμα, ταχύτητα ολίσθησης και πυκνότητα ρεύματος

Θεωρήστε ένα θετικό φορτίο που κινείται προς τα δεξιά με ταχύτητα ολίσθησης v προς την κατεύθυνση ενός ηλεκτρικού πεδίου E σε έναν αγωγό με διατομή A. Το θετικό φορτίο κινείται κατά απόσταση s = vt σε ένα χρονικό διάστημα t.

Αν ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων ανά όγκο (πυκνότητα φορτισμένων σωματιδίων) είναι n και ο όγκος του αγωγού είναι A s = A vt, τότε ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων στον όγκο του αγωγού είναι n A v t. Αν κάθε φορτισμένο σωματίδιο έχει φορτίο q, τότε η ποσότητα φορτίου που διέρχεται από το άκρο του αγωγού κατά το χρονικό διάστημα t είναι Q = nq A v t. Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει από το άκρο του αγωγού είναι I = Q/t = nq A v. Ενώ η πυκνότητα ρεύματος ή ρεύμα ανά διατομή A είναι J = I/A = nq v. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το ρεύμα που ρέει στον αγωγό είναι το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού της πυκνότητας των φορτισμένων σωματιδίων (n), του μεγέθους του φορτίου κάθε σωματιδίου (q), της διατομής του αγωγού (A) και της ταχύτητας ολίσθησης των φορτισμένων σωματιδίων (v).

Μελετήστε το ακόλουθο παράδειγμα προβλήματος για να κατανοήσετε τη διαφορά μεταξύ της ταχύτητας κάθε φορτισμένου σωματιδίου και της ταχύτητας ολίσθησης όλων των φορτισμένων σωματιδίων.

Παράδειγμα ερώτησης 2:

Ένα σταθερό ρεύμα 10 Αμπέρ ρέει σε ένα χάλκινο σύρμα με διατομή 3 x 10^-6 m²Η πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι 8,4 x 10²⁸ ηλεκτρόνια/m³Προσδιορίστε την ταχύτητα ολίσθησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων!
Συζήτηση
Είναι γνωστό ότι:
Ηλεκτρικό ρεύμα (I) = 10 Αμπέρ
Εμβαδόν διατομής σύρματος (A) = 3 x 10^-6 m²
Πυκνότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Φορτίο ηλεκτρονίου (q) = 1,6 x 10^-19 C
Ερωτηθείς: Ταχύτητα μετατόπισης ελεύθερων ηλεκτρονίων (v)
Απάντηση:
Η ταχύτητα των ηλεκτρονίων υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον προηγουμένως εξαγόμενο τύπο:

Περιγραφή: I = ηλεκτρικό ρεύμα, n = πυκνότητα φορτισμένων σωματιδίων = πυκνότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων, q = φορτίο ενός ηλεκτρονίου, A = διατομή του αγωγού, v = ταχύτητα μετατόπισης ηλεκτρονίων

Η ταχύτητα μετατόπισης των ηλεκτρονίων είναι 0,248 x 10 ^-3 μέτρα/δευτερόλεπτο = 0,248 χιλιοστά/δευτερόλεπτο.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται μαζί σε ένα σύρμα με ταχύτητα 0,248 χιλιοστών ανά δευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, κάθε δευτερόλεπτο όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται κατά 0,248 χιλιοστά. Αυτή είναι μια πολύ χαμηλή ταχύτητα. Αν η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι τόσο αργή, γιατί ένα ηλεκτρικό φως ανάβει αμέσως μόλις ανοίξει ο διακόπτης;

Για να το κατανοήσετε αυτό, θεωρήστε τη ροή των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό ως τη ροή του νερού σε έναν εύκαμπτο σωλήνα. Εάν ο εύκαμπτος σωλήνας είναι γεμάτος με νερό, τότε εάν το ένα άκρο του σωλήνα είναι συνδεδεμένο σε μια βρύση, το νερό θα ρέει αμέσως από το άλλο άκρο. Ομοίως, υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια στο χάλκινο σύρμα και στο καλώδιο της λάμπας. Όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο με ταχύτητα που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός (ταχύτητα φωτός = 3 x 108 ^μέτρα /δευτερόλεπτο), το οποίο προκαλεί την άμεση έναρξη της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων μαζί. Υπάρχουν ήδη ελεύθερα ηλεκτρόνια στο καλώδιο της λάμπας, επομένως η λάμπα ανάβει αμέσως.