Difino de elektra kurento
Ene de konduktilo kiel kupro, estas elektronoj, kiuj moviĝas libere kaj hazarde je altaj rapidoj, sed ne eskapas el la metalo. Elektronoj, kiuj povas moviĝi libere, nomiĝas liberaj elektronoj. Kvankam elektronoj moviĝas libere en ĉiuj direktoj, ne ekzistas neta fluo de elektronoj en iu ajn aparta direkto. Ĉi tiu kondiĉo okazas kiam ne ekzistas potenciala diferenco inter la du finoj de la kupra drato.
Kiam la drato estas konektita al elektra fonto, potenciala diferenco ekestas inter la du finoj de la kupra drato, tiel kreante elektran kampon en la kupra drato. La ĉeesto de elektra kampo igas liberajn elektronojn sperti elektran forton F = q, E = e, kie F = elektra forto, e = elektrona ŝargo, E = elektra kampo . La elektra forto igas ĉiujn libere moviĝantajn elektronojn sperti komunan akcelon en la sama direkto kiel la elektra forto.
Tiuj liberaj elektronoj, moviĝantaj kune, troviĝas inter la senmovaj atomoj en la kupra drato, kaŭzante ke ĉiuj elektronoj kolizias kun tiuj atomoj. Tiuj kolizioj kaŭzas ke la liberaj elektronoj ŝanĝas sian moviĝdirekton. Ĉiuj tiuj elektronoj estas konstante submetitaj al elektra forto, kaŭzante ke ili akcelu en la sama direkto kiel la elektra forto. Post momento de movado, la liberaj elektronoj denove kolizias kun la atomoj en la kupra drato. Tamen, la liberaj elektronoj ĉiam estas submetitaj al elektra forto, kaŭzante ke ĉiuj elektronoj denove akcelu.
Do, krom moviĝi hazarde en diversaj direktoj, ĉiuj liberaj elektronoj ankaŭ moviĝas kune malrapide en la direkto de la elektra forto kaj en la kontraŭa direkto de la elektra kampo. La direkto de la elektra kampo estas de alta elektra potencialo al malalta elektra potencialo, dum la elektronoj moviĝas de malalta potencialo al alta potencialo. La hazarda moviĝo de ĉiu libera elektrono havas tre rapidan rapidon, dum la kolektiva moviĝo de la liberaj elektronoj en la direkto de la elektra forto havas tre malrapidan rapidon. Ĉi tiu kolektiva moviĝo de la liberaj elektronoj en la direkto de la elektra forto ankaŭ nomiĝas driva rapido.
Elektra kurento estas difinita kiel la fluo de elektra ŝargo tra sekco de konduktilo dum specifa tempointervalo. Laŭ konvencio, la direkto de elektra kurento estas la sama kiel la direkto de moviĝo de pozitivaj ŝargoj. Ĉi tiu interkonsento estis farita antaŭ ol oni sciis, ke tio, kio efektive moviĝas en konduktilo, estas liberaj, negative ŝargitaj elektronoj. La direkto de elektrona movado en konduktilo estas kontraŭa al la direkto de elektra kurento. Tial, kiam oni diskutas la kurenton fluantan en konduktilo, oni celas la fluon de pozitivaj ŝargoj, ankaŭ konatan kiel konvencia kurento ĉar ĝi estas la rezulto de ĉi tiu interkonsento.
Formulo de elektra kurento
Matematike, elektra kurento estas esprimita per la ekvacio:
Mi = ΔQ / Δt
Formulpriskribo: I = elektra kurento, ΔQ = kvanto de elektra ŝargo, Δt = tempintervalo.
Unuo de elektra kurento
La unuo de elektra ŝargo estas la kulombo, la unuo de tempo estas la sekundo, do la unuo de elektra kurento estas la kulombo/sekundo. Kulombo/sekundo ankaŭ nomiĝas Ampero , nomita laŭ la franca fizikisto André Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampero = 1 Kulombo/sekundo (1 A = 1 C/s). Alivorte, elektra kurento de 1 Ampero egalas al elektra ŝargo de 1 Kulombo trairanta transversan areon de drato dum 1 sekundo. Krom esti esprimita en amperoj, elektra kurento ankaŭ esprimiĝas en miliamperoj (1 mA = 10⁻³ A ), mikroamperoj (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoamperoj (1 nA = 10⁻⁹ A ) aŭ pikoamperoj (1 pA = 10⁻¹² A).
Ekzempla demando 1:
Kurento de 2 amperoj fluas tra drato dum 8 sekundoj. Difinu la magnitudon de la ŝargo pasanta tra punkto kaj la nombron de elektronoj en tiu ŝargo!
Diskuto
Estas konate, ke:
Elektra kurento (I) = 1 Ampero
Tempintervalo (t) = 2 sekundoj
Demandis: ŝargo (Q) kaj nombro de elektronoj (e)
Respondo:
Formulo de elektra kurento:
Mi = Q/t
Formulpriskribo: I = elektra kurento, Q = elektra ŝargo, t = tempintervalo
Elektra ŝargo:
Q = I t = (2 Amperometroj)(8 sekundoj) = 16 Kulomboj.
La ŝargo de unu elektrono estas 1,6 × 10⁻¹⁹ kulomboj , do ŝargo de 16 kulomboj havas tiom da elektronoj kiom 16 C / 1,6 × 10⁻¹⁹ kulomboj = 10 × 10⁻¹⁹ elektronoj.
Elektra kurento, drivrapideco kaj kurentdenseco
Konsideru pozitivan ŝargon moviĝanta dekstren kun driva rapido v en la direkto de elektra kampo E en konduktilo kun transversa sekca areo A. La pozitiva ŝargo moviĝas distancon s = vt dum tempintervalo t.
Se la nombro de ŝargitaj partikloj po volumeno (denseco de ŝargitaj partikloj) estas n kaj la volumeno de la konduktilo estas A s = A vt, tiam la nombro de ŝargitaj partikloj en la volumeno de la konduktilo estas n A v t. Se ĉiu ŝargita partiklo havas ŝargon q, tiam la kvanto de ŝargo, kiu pasas tra la fino de la konduktilo dum la tempintervalo t, estas Q = nq A v t. Do la elektra kurento fluanta tra la fino de la konduktilo estas I = Q/t = nq A v. Dum la denseco de kurento aŭ kurento po transversa sekca areo A estas J = I/A = nq v. Oni povas konkludi, ke la kurento fluanta en la konduktilo estas la rezulto de la multipliko de la denseco de ŝargitaj partikloj (n), la grando de la ŝargo de ĉiu partiklo (q), la transversa sekca areo de la konduktilo (A) kaj la drivrapido de la ŝargitaj partikloj (v).
Studu la jenan ekzemplan problemon por kompreni la diferencon inter la rapido de ĉiu ŝargita partiklo kaj la drivrapido de ĉiuj ŝargitaj partikloj.
Ekzempla demando 2:
Konstanta kurento de 10 amperoj fluas en kupra drato kun transversa sekca areo de 3 x 10-6 m2La denseco de liberaj elektronoj estas 8,4 × 1028 elektronoj/m3. Difinu la drivan rapidon de la liberaj elektronoj!
Diskuto
Estas konate, ke:
Elektra kurento (I) = 10 Ampero
Sekca areo de drato (A) = 3 x 10-6 m2
Libera elektrona denseco (n) = 8,4 × 1028 m-3
Elektrona ŝargo (q) = 1,6 x 10-19 C
Demandis: Rapido de drivo de liberaj elektronoj (v)
Respondo:
La rapido de elektronoj estas kalkulata uzante la antaŭe derivitan formulon:
Priskribo: I = elektra kurento, n = denseco de ŝargitaj partikloj = denseco de liberaj elektronoj, q = ŝargo de unu elektrono, A = transversa sekca areo de la konduktilo, v = elektrona drivra rapido
La elektrona drivra rapido estas 0,248 × 10⁻³ metroj /sekundo = 0,248 milimetroj/sekundo.
Liberaj elektronoj moviĝas kune en drato je rapideco de 0,248 milimetroj po sekundo. Alivorte, ĉiun sekundon ĉiuj liberaj elektronoj moviĝas 0,248 milimetrojn. Tio estas tre malrapida rapideco. Se la movado de liberaj elektronoj estas tiel malrapida, kial elektra lumo tuj ŝaltiĝas kiam la ŝaltilo estas ŝaltita?
Por kompreni tion, konsideru la fluon de elektronoj en konduktilo kiel la fluon de akvo en hoso. Se la hoso estas plenigita per akvo, tiam se unu fino de la hoso estas konektita al krano, akvo tuj elfluos el la alia fino. Simile, estas liberaj elektronoj en la kupra drato kaj la ampoldrato. Kiam la ŝaltilo estas ŝaltita, elektra kampo estas generita kun rapido proksimiĝanta al la lumrapido (lumrapido = 3 × 10⁶ metroj /sekundo), kio kaŭzas, ke la liberaj elektronoj tuj komencas moviĝi kune. Jam estas liberaj elektronoj en la ampoldrato, do la ampolo tuj ŝaltiĝas.
