Difino de elektra kurento
En konduktilo kiel kupro, estas elektronoj, kiuj moviĝas hazarde je alta rapideco libere sed ne eskapas el la metalo. Elektronoj, kiuj povas moviĝi libere, nomiĝas liberaj elektronoj. Kvankam la elektronoj moviĝas libere en ĉiuj direktoj, ne ekzistas totala fluo de elektronoj en 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 ke elektra kampo aperas ene de la kupra drato. La ekzisto de elektra kampo igas liberajn elektronojn sperti la elektran forton F = q, E = e, kie F = elektra forto , e = elektrona ŝargo, E = elektra kampo . Ĉi tiu elektra forto igas ĉiujn elektronojn, kiuj moviĝas libere, akceli kune, kio estas en la sama direkto kiel la elektra forto.
La liberaj elektronoj, kiuj moviĝas kune, troviĝas inter la atomoj, kiuj restas en la kupra drato, tiel ke ĉiuj elektronoj kolizias kun la atomoj. La kolizio kaŭzas ŝanĝon en la direkto de la liberaj elektronoj. Ĉiuj ĉi tiuj elektronoj ĉiam spertas elektran forton, tiel ke ĉiuj elektronoj akceliĝas en la sama direkto kiel la direkto de la elektra forto. Post momento de movado, liberaj elektronoj kolizias kun atomoj en la kupra drato. Sed liberaj elektronoj ĉiam spertas elektran forton, tiel ke ĉiuj elektronoj denove akceliĝas. Do krom hazarda moviĝo en diversaj direktoj, ĉiuj liberaj elektronoj ankaŭ moviĝas malrapide kune en la direkto de la elektra forto kaj en la kontraŭa direkto al 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 moviĝo kun liberaj elektronoj en la direkto de la elektra forto havas tre malrapidan rapidon. Ĉi tiu moviĝo kun 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 certa tempointervalo. Laŭ la interkonsento, la direkto de la elektra kurento estas la sama kiel la direkto de la pozitiva ŝargo. Ĉi tiu interkonsento estis farita antaŭ ol oni sciis, ke tio, kio efektive moviĝas en konduktilo, estas la negative ŝargitaj liberaj elektronoj. La direkto de la movado de elektronoj en la konduktilo estas kontraŭa al la direkto de la elektra kurento. Do, se ni diskutas la kurenton fluantan en la konduktilo, tio estas komprenata kiel la fluo de pozitiva ŝargo, kiu ankaŭ nomiĝas konvencia kurento ĉar ĝi estas la rezulto de interkonsento.
La ekvacio de elektra kurento
Matematike, elektra kurento estas esprimita per la ekvacio:
Mi = ΔQ / Δt
I = elektra kurento, ΔQ = kvanto de elektra ŝargo, Δt = tempintervalo.
Unuo de elektra kurento
La unuo de elektra ŝargo estas Kulombo, la unuo de tempo estas sekundo, do la unuo de elektra kurento estas Kulombo/sekundo. Kulombo/sekundo ankaŭ nomiĝas Ampero, laŭ la nomo de la franca fizikisto Andre Marie Ampere (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, kiu trairas transversan areon de drato dum 1 sekundo. Krom esti esprimitaj en Amperoj, elektraj kurentoj ankaŭ esprimiĝas en miliamperoj (1 mA = 10⁻³ A ), mikroamperoj (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoamperoj (1 nA = 10⁻⁶ A) aŭ pikoamperoj (1 pA = 10⁻¹² A ).
Ekzempla problemo 1:
Kurento de 2 amperoj fluas tra la drato dum 8 sekundoj. Difinu la kvanton da ŝargo pasanta tra punkto kaj la nombron da elektronoj en tiu ŝargo!
Konata:
Elektra kurento (I) = 1 Ampero
Tempintervalo (t) = 2 sekundoj
Dezirata: ŝargo (Q) kaj nombro de elektronoj (e)
solvo:
Ekvacio de elektra kurento:
Mi = Q/t
I = elektra kurento, Q = elektra ŝargo, t = tempintervalo
Elektra ŝargo:
Q = I t = (2 Amperometroj)(8 sekundoj) = 16 C.
La ŝargo de unu elektrono estas 1.6 × 10⁻¹⁹ Kulombo , do la ŝargo de 16 Kulomboj havas tiom da elektronoj kiom 16 C / 1.6 × 10⁻¹⁹ Kulombo = 10 × 10⁻¹⁹ elektronoj.
Elektra kurento, drivra rapido, kaj kurentdenseco
Reviziu la pozitivan ŝargon, kiu moviĝas dekstren kun la rapido v, drivante en la direkto de la elektra kampo E
sur konduktilo, kiu havas transversan sekcan areon A. Pozitiva ŝargo moviĝas ĝis s = vt dum la tempintervalo t.
Se la nombro de ŝargitaj partikloj por volumeno (denseco de ŝargitaj partikloj) estas n kaj la volumeno de la konduktilo estas A s = A vt,
tiam la nombro da ŝargitaj partikloj en la volumeno de la konduktilo estas n A v t. Se ĉiu ŝargita partiklo havas ŝargon q, tiam la kvanto da ŝargo pasanta tra la fino de la konduktilo dum la intervalo t estas Q = nq A v t. Do, la elektra kurento fluanta tra la pinto de la konduktilo estas I = Q / t = nq A v. Dum la kurentdenseco aŭ kurento por transversa sekca areo A estas J = I / A = nq v.
Oni povas konkludi, ke la kurento fluanta en la konduktilo estas la produto de la multipliko de la denseco de la ŝargitaj partikloj (n),
la kvanto de ŝargo por ĉiu partiklo (q), la areo de la konduktilo (A) kaj la rapido de ŝargitaj partikloj (v).
Studu la jenajn ekzemplajn demandojn.
Ekzempla problemo 2:
Konstanta kurento de 10 amperoj fluas en kupra drato kun sekca areo de 3 x 10⁻⁶ m² . La denseco de liberaj elektronoj estas 8.4 x 10⁻²⁸ elektronoj/m³ . Difinu la rapidon de drivo de liberaj elektronoj!
Konata:
Elektra kurento (I) = 10 Ampero
Sekca areo de drato (A) = 3 x 10⁻⁶ m²
Denseco de libera elektrono (n) = 8.4 × 10²⁸ m⁻³
Elektrona ŝargo (q) = 1.6 x 10⁻¹⁹ C
Dezirata: Rapido de libera elektrona drivo (v)
solvo:
La rapido de elektronoj estas kalkulata per formulo, kiu estis derivita antaŭe:
I = elektra kurento, n = denseco de ŝargitaj partikloj = elektrondenseco, q = unu elektrona ŝargo, A = transversa areo de konduktilo, v = rapido de elektrona drivo
La rapido de elektrona drivo estas 0.248 × 10⁻³ metroj /sekundo = 0.248 milimetroj/sekundo.
Liberaj elektronoj moviĝas kune en drato je rapidecoj de 0.248 milimetroj po sekundo. Alivorte, ĉiun sekundon, ĉiuj liberaj elektronoj moviĝas ĝis 0.248 milimetrojn. Tio estas tre malrapida rapideco. Se la movado de liberaj elektronoj estas tre malrapida, kial la elektra lumo tuj ŝaltiĝas post kiam la ŝaltilo estas ŝaltita?
Por kompreni tion, elektronoj fluas en la konduktilo simile al la fluo de akvo ene de la hoso. Se la hoso estas plenigita per akvo, tiam se unu fino de la hoso estas konektita al la krano, la akvo tuj elfluas el unu fino de la alia hoso. Simile, estas liberaj elektronoj en la kupra drato kaj la ampoldrato. Kiam la ŝaltilo estas ŝaltita, elektra kampo ekestas kun rapideco proksimiĝanta al la lumrapideco (lumrapideco = 3 x 10^ 8 metroj/sekundo), kio kaŭzas, ke liberaj elektronoj komencas moviĝi kune en tiu momento. Jam estas liberaj elektronoj en la ampoldrato, tiel ke la lumo estas ŝaltita en tiu sama momento.
Problemoj kaj solvoj
1. Konstanta kurento de 10 A ekzistas en drato dum 2 minutoj. Kiom da ŝargo pasas tra la konduktilo en iu ajn loko.
Konata:
Elektra kurento (I) = 10 A
Tempintervalo (t) = 2 minutoj = 2 x 60 sekundoj = 120 sekundoj
Dezirata: Ŝarĝo (Q)
Solvo:
Ekvacio de la elektra kurento:
Mi = q/t
I = la elektra kurento, q = la elektra ŝargo, t = la tempintervalo
La elektra ŝargo:
Q = I t = (10)(120) = 1200 °C
2. 60 C da ŝargo pasas preter punkto en la cirkvito dum 5 minutoj. Kio estas la elektra kurento?
Konata:
La tempintervalo (t) = 5 minutoj = 5 x 60 sekundoj = 300 sekundoj
La elektra ŝargo (Q) = 60 °C
Dezirata: La elektra kurento (I)
Solvo:
La elektra kurento:
Mi = Q/t
Mi = 60 / 300
I = 0.2 kulomboj/sekundo
I = 0.2 Amperoj
3. La unuo de elektra kurento en la SI-sistemo estas…
solvaĵo
Kulomboj/sekundo
Kulomboj/sekundoj, donitaj specialan nomon, la Ampero.
