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 = elektriline jõud, e = elektroni laeng, E = elektriväliSee elektriline jõud põhjustab kõigi vabalt liikuvate elektronide kiirenemist koos, mis on sama suund kui elektriline jõud.

Vabad elektronid, mis koos liiguvad, asuvad vasktraadis olevate aatomite vahel, nii et kõik elektronid põrkavad aatomitega 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 kokku. 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 elektriliselt potentsiaalilt madalale elektriliselt potentsiaalile, 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 triivikiirus.

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 = ΔK / Δt

I = elektrivool, ΔQ = elektrilaengu hulk, Δt = ajavahemik.

Elektrivoolu ühik

Elektrilaengu ühik on Coulomb, ajaühik on sekund, seega on elektrivoolu ühik 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 võrdub 1 Coulomb suuruse elektrilaenguga, mis läbib traadi ristlõikepindala 1 sekundi jooksul. Lisaks amprites väljendamisele väljendatakse elektrivoolu ka milliamprites (1 mA = 10^-3 A), mikroamprid (1 μA = 10^-6 A), nanoamprites (1 nA = 10–9 A) või pikoamprites (1 pA = 10 A)^-12 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

Otsitud: 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^-19 Coulombi laeng, seega on 16 Coulombi laenguga sama palju elektrone kui 16 C-l / 1.6 x 10^-19 Coulomb = 10 × 10¹⁹ elektronid.

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, voolab konstantne vool 10 amprit.^-6 m²Vabade elektronide tihedus on 8.4 x 10²⁸ elektronid/m³Määrake vaba elektroni triivi kiirus!

Teatud:

Elektrivool (I) = 10 amprit

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

Otsitud: Vaba elektronide triivi kiirus (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, mille kiirus läheneb valguse kiirusele (valguse kiirus = 3 x 10⁸ meetrit sekundis), mis põhjustab vabade elektronide liikumise algust sel hetkel. Lambipirni juhtmes on juba vabad elektronid, nii et tuli põleb just sel hetkel.

Probleemid ja lahendused

1. Juhtmes on 2 minutit püsiv vool 10 A. Kui suur osa sellest voolust tasu läbib juhti mis tahes kohas.

Tuntud:

Elektrivool (I) = 10 A

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

Otsitakse: Laeng (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: Elektrivool (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.