تعریف جریان الکتریکی
درون یک رسانا مانند مس، الکترونهایی وجود دارند که آزادانه و تصادفی با سرعت بالا حرکت میکنند اما از فلز فرار نمیکنند. الکترونهایی که میتوانند آزادانه حرکت کنند، الکترونهای آزاد نامیده میشوند. اگرچه الکترونها آزادانه در همه جهات حرکت میکنند، اما جریان خالص الکترونها در هیچ جهت خاصی وجود ندارد. این وضعیت زمانی اتفاق میافتد که هیچ اختلاف پتانسیلی بین دو سر سیم مسی وجود نداشته باشد.
وقتی سیم به یک منبع الکتریکی متصل میشود، اختلاف پتانسیلی بین دو انتهای سیم مسی ایجاد میشود و در نتیجه یک میدان الکتریکی در سیم مسی ایجاد میشود. وجود میدان الکتریکی باعث میشود که الکترونهای آزاد نیروی الکتریکی F = qE = eE را تجربه کنند ، که در آن F = نیروی الکتریکی، e = بار الکترون، E = میدان الکتریکی . نیروی الکتریکی باعث میشود که همه الکترونهای آزاد در حال حرکت، شتاب مشترکی را در همان جهت نیروی الکتریکی تجربه کنند.
این الکترونهای آزاد که با هم حرکت میکنند، بین اتمهای ثابت در سیم مسی قرار دارند و باعث میشوند که همه الکترونها با این اتمها برخورد کنند. این برخوردها باعث میشوند که الکترونهای آزاد جهت حرکت خود را تغییر دهند. همه این الکترونها دائماً تحت تأثیر نیروی الکتریکی قرار میگیرند و باعث میشوند که در همان جهت نیروی الکتریکی شتاب بگیرند. پس از لحظهای حرکت، الکترونهای آزاد دوباره با اتمهای سیم مسی برخورد میکنند. با این حال، الکترونهای آزاد همیشه تحت تأثیر نیروی الکتریکی قرار دارند و باعث میشوند که همه الکترونها دوباره شتاب بگیرند.
بنابراین، علاوه بر حرکت تصادفی در جهات مختلف، تمام الکترونهای آزاد نیز به آرامی در جهت نیروی الکتریکی و در جهت مخالف میدان الکتریکی با هم حرکت میکنند. جهت میدان الکتریکی از پتانسیل الکتریکی بالا به پتانسیل الکتریکی پایین است، در حالی که الکترونها از پتانسیل پایین به پتانسیل بالا حرکت میکنند. حرکت تصادفی هر الکترون آزاد سرعت بسیار بالایی دارد، در حالی که حرکت جمعی الکترونهای آزاد در جهت نیروی الکتریکی سرعت بسیار پایینی دارد. این حرکت جمعی الکترونهای آزاد در جهت نیروی الکتریکی، سرعت رانش نیز نامیده میشود.
جریان الکتریکی به عنوان جریان بار الکتریکی از طریق سطح مقطع یک رسانا در یک بازه زمانی خاص تعریف میشود. طبق قرارداد، جهت جریان الکتریکی همان جهت حرکت بارهای مثبت است. این توافق قبل از اینکه مشخص شود آنچه در واقع در یک رسانا حرکت میکند، الکترونهای آزاد با بار منفی هستند، حاصل شده است. جهت حرکت الکترون در یک رسانا خلاف جهت جریان الکتریکی است. بنابراین، هنگام بحث در مورد جریان جاری در یک رسانا، منظور جریان بارهای مثبت است که به عنوان جریان قراردادی نیز شناخته میشود زیرا نتیجه این توافق است.
فرمول جریان الکتریکی
از نظر ریاضی، جریان الکتریکی با معادله زیر بیان میشود:
من = ΔQ / Δt
شرح فرمول: I = جریان الکتریکی، ΔQ = مقدار بار الکتریکی، Δt = بازه زمانی.
واحد جریان الکتریکی
واحد بار الکتریکی کولن و واحد زمان ثانیه است، بنابراین واحد جریان الکتریکی کولن بر ثانیه است. کولن بر ثانیه همچنین آمپر نامیده میشود که به نام فیزیکدان فرانسوی، آندره ماری آمپر (1775-1836) نامگذاری شده است. 1 آمپر = 1 کولن بر ثانیه (1 آمپر = 1 سیکل بر ثانیه). به عبارت دیگر، جریان الکتریکی 1 آمپر برابر است با بار الکتریکی 1 کولن که به مدت 1 ثانیه از سطح مقطع سیم عبور میکند. جریان الکتریکی علاوه بر اینکه بر حسب آمپر بیان میشود، بر حسب میلیآمپر (1 میلیآمپر = 10 -3 آمپر)، میکروآمپر (1 میکروآمپر = 10 -6 آمپر)، نانوآمپر (1 نانوآمپر = 10 -9 آمپر) یا پیکوآمپر (1 پیکوآمپر = 10 -12 آمپر) نیز بیان میشود.
مثال سوال ۳:
جریانی معادل ۲ آمپر به مدت ۸ ثانیه از سیمی عبور میکند. بزرگی بار عبوری از یک نقطه و تعداد الکترونهای موجود در آن بار را تعیین کنید!
پمباهاسان
معلوم است که:
جریان الکتریکی (I) = 1 آمپر
بازه زمانی (t) = ۴ ثانیه
پرسیده شد: بار (Q) و تعداد الکترونها (e)
جواب:
فرمول جریان الکتریکی:
من = Q/t
شرح فرمول: I = جریان الکتریکی، Q = بار الکتریکی، t = بازه زمانی
بار الکتریکی:
Q = I t = (2 آمپر)(8 ثانیه) = 16 کولن.
بار یک الکترون 1,6 x 10 -19 کولن است، بنابراین یک بار 16 کولن به اندازه 16 C / 1,6 x 10 -19 کولن = 10 x 10 19 الکترون الکترون دارد.
جریان الکتریکی، سرعت رانش و چگالی جریان
یک بار مثبت را در نظر بگیرید که با سرعت رانش v در جهت میدان الکتریکی E در یک رسانا با سطح مقطع A به سمت راست حرکت میکند. بار مثبت در بازه زمانی t، مسافتی به اندازه s = vt را طی میکند.
اگر تعداد ذرات باردار در هر حجم (چگالی ذرات باردار) n و حجم رسانا As = A vt باشد، تعداد ذرات باردار در حجم رسانا nAvt است. اگر هر ذره باردار دارای بار q باشد، مقدار باری که در بازه زمانی t از انتهای رسانا عبور میکند Q = nq A vt است. بنابراین جریان الکتریکی که از انتهای رسانا عبور میکند I = Q/t = nq A v است. در حالی که چگالی جریان یا جریان در هر سطح مقطع A J = I/A = nq v است. میتوان نتیجه گرفت که جریان جاری در رسانا حاصل ضرب چگالی ذرات باردار (n)، بزرگی بار هر ذره (q)، سطح مقطع رسانا (A) و سرعت رانش ذرات باردار (v) است.
برای درک تفاوت بین سرعت هر ذره باردار و سرعت رانش همه ذرات باردار، مثال زیر را مطالعه کنید.
مثال سوال ۳:
جریان ثابت 10 آمپر در یک سیم مسی با سطح مقطع 3 x 10 جریان دارد.-6 m2چگالی الکترون آزاد 8,4 x 10 است28 الکترون بر متر3سرعت رانش الکترونهای آزاد را تعیین کنید!
پمباهاسان
معلوم است که:
جریان الکتریکی (I) = 10 آمپر
سطح مقطع سیم (A) = 3 x 10-6 m2
چگالی الکترون آزاد (n) = 8,4 x 1028 m-3
بار الکترون (q) = 1,6 x 10-19 C
پرسیده شد: سرعت رانش الکترون آزاد (v)
جواب:
سرعت الکترونها با استفاده از فرمول قبلی محاسبه میشود:
شرح: I = جریان الکتریکی، n = چگالی ذرات باردار = چگالی الکترونهای آزاد، q = بار یک الکترون، A = سطح مقطع رسانا، v = سرعت رانش الکترون
سرعت رانش الکترون 0,248 x 10 -3 متر بر ثانیه = 0,248 میلیمتر بر ثانیه است.
الکترونهای آزاد با سرعت 0,248 میلیمتر در ثانیه در یک سیم با هم حرکت میکنند. به عبارت دیگر، در هر ثانیه تمام الکترونهای آزاد 0,248 میلیمتر حرکت میکنند. این سرعت بسیار پایینی است. اگر حرکت الکترونهای آزاد اینقدر کند است، چرا یک چراغ الکتریکی بلافاصله پس از روشن شدن کلید روشن میشود؟
برای درک این موضوع، جریان الکترونها در یک رسانا را مانند جریان آب در یک شلنگ در نظر بگیرید. اگر شلنگ با آب پر شود، اگر یک سر شلنگ به شیر آب وصل شود، آب بلافاصله از سر دیگر آن خارج میشود. به طور مشابه، الکترونهای آزاد در سیم مسی و سیم لامپ وجود دارند. وقتی کلید روشن میشود، یک میدان الکتریکی با سرعتی نزدیک به سرعت نور (سرعت نور = 3 x 108 متر بر ثانیه) ایجاد میشود که باعث میشود الکترونهای آزاد بلافاصله شروع به حرکت به سمت یکدیگر کنند. در سیم لامپ از قبل الکترونهای آزاد وجود دارند، بنابراین لامپ بلافاصله روشن میشود.
