Elektrivool

Elektrivoolu definitsioon

Juhis, näiteks vases, on elektrone, mis liiguvad vabalt suurel kiirusel ja juhuslikult, kuid ei pääse metallist välja. Vabalt liikuvaid elektrone nimetatakse vabadeks elektronideks. Kuigi elektronid liiguvad vabalt igas suunas, ei toimu elektronide täielikku voogu ühes kindlas suunas. See olukord tekib siis, kui vasktraadi kahe otsa vahel puudub potentsiaalide erinevus.

Kui juhe ühendatakse elektriallikaga, tekib vasktraadi kahe otsa vahel potentsiaalide vahe, mistõttu vasktraadi sisse tekib elektriväli. Elektrivälja olemasolu põhjustab vabadele elektronidele elektrilise jõu F = q E = e E, kus F = elektrijõud , e = elektroni laeng, E = elektriväli . See elektrijõud põhjustab kõigi vabalt liikuvate elektronide kiirenemist koos, mis on sama suund kui elektrijõud.

Vabad elektronid, mis koos liiguvad, asuvad vasktraadis olevate aatomite vahel, nii et kõik elektronid põrkavad nendega kokku. Kokkupõrge põhjustab vabade elektronide suuna muutuse. Kõik need elektronid kogevad alati elektrilist jõudu, nii et kõik elektronid kiirenevad elektrilise jõu suunas. Pärast hetkelist liikumist põrkavad vabad elektronid vasktraadis aatomitega. Kuid vabad elektronid kogevad alati elektrilist jõudu, nii et kõik elektronid kiirenevad uuesti. Seega lisaks juhuslikule liikumisele erinevates suundades liiguvad kõik vabad elektronid aeglaselt koos ka elektrilise jõu 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 liikumine elektrilise jõu suunas on väga aeglane. Seda vabade elektronide liikumist elektrilise jõu suunas nimetatakse ka triivikiiruseks.

Elektrivool on defineeritud kui elektrilaengu voog läbi juhi ristlõike teatud aja jooksul. Kokkuleppe kohaselt on elektrivoolu suund sama, mis positiivse laengu suund. See kokkulepe saavutati enne, kui oli teada, et juhis liiguvad tegelikult negatiivselt laetud vabad elektronid. Elektronide liikumissuund juhis on vastupidine elektrivoolu suunale. Seega, kui me arutame juhis voolavat voolu, siis peetakse silmas positiivse laengu voogu, mida nimetatakse ka tavapäraseks vooluks, kuna see on kokkuleppe tulemus.

Elektrivoolu võrrand

Matemaatiliselt väljendatakse elektrivoolu võrrandiga:

I = ΔQ / Δt

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 prantsuse füüsiku André Marie Ampere'i (1775–1836) nimi. 1 amper = 1 Coulomb/sekund (1 A = 1 C/s). Teisisõnu, 1 ampri suurune elektrivool on võrdne 1 Coulomb suuruse elektrilaenguga, mis läbib traadi ristlõikepindala 1 sekundi jooksul. Lisaks amprites väljendamisele väljendatakse elektrivoolu ka milliamprites (1 mA = 10⁻⁸ ^A ), mikroamprites (1 μA = ^10⁻⁸ A), nanoamprites (1 nA = 10⁻⁸ A) või pikoamprites (1 pA = 10⁻⁸ ^A ).

Näidisülesanne 1:

Läbi juhtme voolab 8 sekundi jooksul 2-amprine vool. Määrake punkti läbiva laengu hulk ja selles laengus olevate elektronide arv!

Teatud:

Elektrivool (I) = 1 amprit

Ajavahemik (t) = 2 sekundit

Otsitakse: laeng (Q) ja elektronide arv (e)

Lahendus:

Elektrivoolu võrrand:

I = Q/t

I = elektrivool, Q = elektrilaeng, t = ajavahemik

Elektriline laeng:

Q = I t = (2 amprit)(8 sekundit) = 16 °C.

Ühe elektroni laeng on 1.6 x 10⁻⁹ ^Coulombi , seega on 16 Coulombi laenguga sama palju elektrone kui 16 C / 1.6 x 10⁻⁹ ^Coulombi = 10 x ^10⁹ elektroni.

Elektrivool, triivi kiirus ja voolutihedus

Vaadelge positiivset laengut, mis liigub kiirusega paremale, triivides v elektrivälja E suunas.

juhil, mille ristlõikepindala on A. Positiivne laeng liigub ajavahemiku t jooksul nii kaugele kui s = vt.

Kui laetud osakeste arv ruumala kohta (laetud osakeste tihedus) on n ja juhi ruumala on A s = A vt, siis

siis juhi ruumalas olevate laetud osakeste arv on n A v t. Kui iga laetud osakese laeng on q, siis juhi otsast ajavahemiku t jooksul läbiva laengu hulk on Q = nq A v t. Seega on juhi otsast läbi voolav elektrivool I = Q / t = nq A v. Voolutihedus ehk voolutugevus ristlõikepindala A kohta on J = I / A = nq v.

Võib järeldada, et juhis voolav vool on laetud osakeste tiheduse (n) korrutise tulemus,

iga osakese laengu suurus (q), juhi pindala (A) ja laetud osakeste kiirus (v).

Uurige järgmisi näidisküsimusi.

Näidisülesanne 2:

Vasktraadis, mille ristlõikepindala on 3 x 10⁻⁶ m², voolab konstantne vool tugevusega 10 amprit ^. Vabade ^elektronide tihedus on 8.4 x 10⁻² ^elektroni /m³ ^. Määrake vabade elektronide triivi kiirus!

Teatud:

Elektrivool (I) = 10 amprit

Traadi ristlõikepindala (A) = 3 ^{x 10⁻⁶} m²

^{Vabade elektronide tihedus (} n) = 8.4 x ^10²⁻¹ m⁻³

Elektronlaeng (q) = 1.6 x ^10⁻⁹⁵ C

Otsitakse: Vaba elektronide triivi kiirust (v)

Lahendus:

Elektronide kiirust arvutatakse varem tuletatud valemi abil:

I = elektrivool, n = laetud osakeste tihedus = elektrontihedus, q = üks elektronlaeng, A = juhi ristlõikepindala, v = elektronide triivi kiirus

Elektronide 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 kuni 0.248 millimeetrit. See on väga aeglane kiirus. Kui vabade elektronide liikumine on väga aeglane, miks siis elektrilamp kohe pärast lüliti sisselülitamist põlema läheb?

Selle mõistmiseks voolavad elektronid juhis nagu vesi voolikus. Kui voolik on veega täidetud ja vooliku üks ots on kraaniga ühendatud, voolab vesi koheselt teise vooliku ühest 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 sel hetkel koos liikuma. Lambipirni juhtmes on juba vabu elektrone, nii et tuli põleb sel hetkel.

Probleemid ja lahendused

1. Juhtmes on 2 minutit püsiv 10 A vool. Kui suur osa laengust läbib juhti mis tahes kohas?

Tuntud:

Elektrivool (I) = 10 A

Ajavahemik (t) = 2 minutit = 2 x 60 sekundit = 120 sekundit

Otsitakse: Laengut (Q)

lahendus:

Elektrivoolu võrrand:

I = q/t

I = elektrivool, q = elektrilaeng, t = ajavahemik

Elektriline laeng:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. 60 C laeng läbib vooluringi punkti 5 minuti jooksul. Milline on elektrivoolu tugevus?

Tuntud:

Ajavahemik (t) = 5 minutit = 5 x 60 sekundit = 300 sekundit

Elektrilaeng (Q) = 60 °C

Otsitakse: elektrivoolu tugevust (I)

lahendus:

Elektrivool:

I = Q/t

Ma = 1 000 000 / 300

I = 0.2 kuloni sekundis

I = 0.2 amprit

3. Elektrivoolu mõõtühik SI-süsteemis on…

Lahendus

Kulonid sekundis

Kulonid/sekundid, millele on antud eriline nimi – amper.