Elektrivoolu definitsioon
Juhi, näiteks vase, sees on elektronid, mis liiguvad vabalt ja juhuslikult suurel kiirusel, kuid ei pääse metallist välja. Vabalt liikuvaid elektrone nimetatakse vabadeks elektronideks. Kuigi elektronid liiguvad vabalt igas suunas, ei toimu elektronide netovoogu üheski konkreetses suunas. See olukord tekib siis, kui vasktraadi kahe otsa vahel puudub potentsiaalide erinevus.
Kui juhe ühendatakse elektriallikaga, tekib vasktraadi kahe otsa vahel potentsiaalide vahe, mis tekitab vasktraadis elektrivälja. Elektrivälja olemasolu põhjustab vabade elektronide vahel elektrilise jõu F = q E = e E, kus F = elektrijõud, e = elektroni laeng, E = elektriväli . Elektrijõud põhjustab kõigi vabalt liikuvate elektronide ühise kiirenduse samas suunas elektrijõuga.
Need koos liikuvad vabad elektronid paiknevad vasktraadis statsionaarsete aatomite vahel, põhjustades kõigi elektronide kokkupõrkeid nende aatomitega. Need kokkupõrked põhjustavad vabade elektronide liikumissuuna muutust. Kõikidele neile elektronidele mõjub pidevalt elektriline jõud, mis põhjustab nende kiirenduse elektrilise jõuga samas suunas. Pärast hetkelist liikumist põrkavad vabad elektronid uuesti vasktraadi aatomitega. Vabadele elektronidele aga mõjub alati elektriline jõud, mis põhjustab kõigi elektronide uue kiirenduse.
Seega lisaks juhuslikule liikumisele eri suundades liiguvad kõik vabad elektronid aeglaselt ka koos elektrijõu suunas ja elektrivälja vastassuunas. Elektrivälja suund on kõrgelt elektripotentsiaalilt madalale elektripotentsiaalile, samas kui elektronid liiguvad madalalt potentsiaalilt kõrgele potentsiaalile. Iga vaba elektroni juhuslik liikumine on väga kiire, samas kui vabade elektronide kollektiivne liikumine elektrijõu suunas on väga aeglane. Seda vabade elektronide kollektiivset liikumist elektrijõu suunas nimetatakse ka triivikiiruseks.
Elektrivool on defineeritud kui elektrilaengu voog läbi juhi ristlõike kindla ajaintervalli jooksul. Kokkuleppe kohaselt on elektrivoolu suund sama, mis positiivsete laengute liikumissuund. See kokkulepe saavutati enne, kui oli teada, et juhis liiguvad tegelikult vabad, negatiivselt laetud elektronid. Elektronide liikumise suund juhis on vastupidine elektrivoolu suunale. Seetõttu mõeldakse juhis voolava voolu arutamisel positiivsete laengute voogu, mida tuntakse ka tavapärase vooluna, kuna see on selle kokkuleppe tulemus.
Elektrivoolu valem
Matemaatiliselt väljendatakse elektrivoolu võrrandiga:
I = ΔQ / Δt
Valemi kirjeldus: I = elektrivool, ΔQ = elektrilaengu hulk, Δt = ajavahemik.
Elektrivoolu ühik
Elektrilaengu ühik on Coulomb, ajaühik on sekund ja elektrivoolu ühik on Coulomb/sekund. Coulomb/sekundit nimetatakse ka amperiks , mis on nime saanud prantsuse füüsiku André Marie Ampere'i (1775–1836) järgi. 1 amper = 1 Coulomb/sekund (1 A = 1 C/s). Teisisõnu, 1 ampri suurune elektrivool on võrdne 1 Coulomb suuruse elektrilaenguga, mis läbib traadi ristlõikepinda 1 sekundi jooksul. Lisaks amprites väljendamisele väljendatakse elektrivoolu ka milliamprites (1 mA = 10⁻⁶ A ), mikroamprites (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoamprites (1 nA = 10⁻⁶ A ) või pikoamprites (1 pA = 10⁻⁶ A).
Näidisküsimus 1:
Läbi juhtme voolab 8 sekundi jooksul 2-amprine vool. Määrake punkti läbiva laengu suurus ja selles laengus olevate elektronide arv!
Arutelu
On teada, et:
Elektrivool (I) = 1 amper
Ajavahemik (t) = 2 sekundit
Küsis: laeng (Q) ja elektronide arv (e)
Vastus:
Elektrivoolu valem:
I = Q/t
Valemi kirjeldus: I = elektrivool, Q = elektrilaeng, t = ajavahemik
Elektriline laeng:
Q = I t = (2 amprit)(8 sekundit) = 16 kulonit.
Ühe elektroni laeng on 1,6 x 10⁻⁹ kuloni , seega 16 kuloni laeng sisaldab sama palju elektrone kui 16 C / 1,6 x 10⁻⁹ kuloni = 10 x 10⁻¹ elektroni.
Elektrivool, triivi kiirus ja voolutihedus
Vaatleme positiivset laengut, mis liigub juhis ristlõikepindalaga A elektrivälja E suunas paremale triivikiirusega v. Positiivne laeng liigub ajavahemiku t jooksul teepikkuse s = vt.
Kui laetud osakeste arv ruumala kohta (laetud osakeste tihedus) on n ja juhi ruumala on As = Avt, siis laetud osakeste arv juhi ruumalas on nAvt. Kui iga laetud osakese laeng on q, siis laengu hulk, mis läbib juhi otsa ajavahemiku t jooksul, on Q = nqAvt. Seega on juhi otsast läbi voolav elektrivool I = Q/t = nqAv. Voolutihedus ehk voolutugevus ristlõikepindala kohta A on J = I/A = nqv. Võib järeldada, et juhis voolav vool on laetud osakeste tiheduse (n), iga osakese laengu suuruse (q), juhi ristlõikepindala (A) ja laetud osakeste triivikiiruse (v) korrutise tulemus.
Uurige järgmist näidisülesannet, et mõista iga laetud osakese kiiruse ja kõigi laetud osakeste triivikiiruse erinevust.
Näidisküsimus 2:
Vasktraadis, mille ristlõikepindala on 3 x 10, voolab konstantne vool 10 amprit.-6 m2Vabade elektronide tihedus on 8,4 x 1028 elektronid/m3Määrake vabade elektronide triivikiirus!
Arutelu
On teada, et:
Elektrivool (I) = 10 amper
Traadi ristlõikepindala (A) = 3 x 10-6 m2
Vaba elektronide tihedus (n) = 8,4 x 1028 m-3
Elektronlaeng (q) = 1,6 x 10-19 C
Küsis: Vaba elektronide triivi kiirus (v)
Vastus:
Elektronide kiirus arvutatakse eelnevalt tuletatud valemi abil:
Kirjeldus: I = elektrivool, n = laetud osakeste tihedus = vabade elektronide tihedus, q = ühe elektroni laeng, A = juhi ristlõikepindala, v = elektroni triivi kiirus
Elektroni triivi kiirus on 0,248 x 10⁻³ meetrit sekundis = 0,248 millimeetrit sekundis.
Vabad elektronid liiguvad juhtmes koos kiirusega 0,248 millimeetrit sekundis. Teisisõnu, iga sekund liiguvad kõik vabad elektronid 0,248 millimeetrit. See on väga aeglane kiirus. Kui vabade elektronide liikumine on nii aeglane, miks siis elektrilamp kohe pärast lüliti sisselülitamist põlema läheb?
Selle mõistmiseks vaadelge elektronide voogu juhis kui vee voolu voolikus. Kui voolik on veega täidetud ja vooliku üks ots on ühendatud kraaniga, voolab vesi koheselt teisest otsast välja. Samamoodi on vasktraadis ja lambipirni juhtmes vabu elektrone. Lüliti sisselülitamisel tekib elektriväli kiirusega, mis läheneb valguse kiirusele (valguskiirus = 3 x 108 meetrit sekundis), mis paneb vabad elektronid kohe koos liikuma. Lambipirni juhtmes on juba vabu elektrone, seega süttib lambipirn kohe.
