Sähkövirta

Sähkövirran määritelmä

Johtimen, kuten kuparin, sisällä on elektroneja, jotka liikkuvat vapaasti ja satunnaisesti suurilla nopeuksilla, mutta eivät karkaa metallista. Vapaasti liikkuvia elektroneja kutsutaan vapaiksi elektroneiksi. Vaikka elektronit liikkuvat vapaasti kaikkiin suuntiin, elektronien nettovirtausta ei tapahdu mihinkään tiettyyn suuntaan. Tämä tilanne syntyy, kun kuparilangan kahden pään välillä ei ole potentiaalieroa.

Kun johto kytketään sähkölähteeseen, kuparilangan päiden välille syntyy potentiaaliero, joka luo kuparijohtimeen sähkökentän. Sähkökentän läsnäolo aiheuttaa vapaisiin elektroneihin sähkövoiman F = q E = e E, jossa F = sähkövoima, e = elektronin varaus, E = sähkökenttä . Sähkövoima aiheuttaa kaikille vapaasti liikkuville elektroneille yhteisen kiihtyvyyden samaan suuntaan kuin sähkövoima.

Nämä yhdessä liikkuvat vapaat elektronit sijaitsevat kuparilangan paikallaan pysyvien atomien välissä, mikä aiheuttaa kaikkien elektronien törmäyksen näihin atomeihin. Nämä törmäykset aiheuttavat vapaiden elektronien liikesuunnan muutoksen. Kaikkiin näihin elektroneihin vaikuttaa jatkuvasti sähköinen voima, joka saa ne kiihtymään samaan suuntaan kuin sähköinen voima. Hetken liikkumisen jälkeen vapaat elektronit törmäävät uudelleen kuparilangan atomeihin. Vapaat elektronit ovat kuitenkin aina alttiina sähköiselle voimalle, joka aiheuttaa kaikkien elektronien kiihtymisen uudelleen.

Joten sen lisäksi, että kaikki vapaat elektronit liikkuvat satunnaisesti eri suuntiin, ne liikkuvat myös hitaasti yhdessä sähkövoiman suuntaan ja sähkökentän vastakkaiseen suuntaan. Sähkökentän suunta on korkeasta sähköpotentiaalista matalaan sähköpotentiaaliin, kun taas elektronit liikkuvat matalasta potentiaalista korkeaan potentiaaliin. Kunkin vapaan elektronin satunnainen liike on erittäin nopea, kun taas vapaiden elektronien kollektiivinen liike sähkövoiman suuntaan on hyvin hidas. Tätä vapaiden elektronien kollektiivista liikettä sähkövoiman suuntaan kutsutaan myös ajautumisnopeudeksi.

Sähkövirta määritellään sähkövarauksen virtaukseksi johtimen poikkileikkauksen läpi tietyn aikavälin kuluessa. Sopimuksen mukaan sähkövirran suunta on sama kuin positiivisten varausten liikesuunta. Tämä sopimus syntyi ennen kuin tiedettiin, että johtimessa liikkuvat todellisuudessa vapaat, negatiivisesti varautuneet elektronit. Elektronien liikesuunta johtimessa on vastakkainen sähkövirran suuntaan nähden. Siksi, kun puhutaan johtimessa kulkevasta virrasta, tarkoitetaan positiivisten varausten virtausta, joka tunnetaan myös tavanomaisena virtana, koska se on tämän sopimussuhteen tulos.

Sähkövirran kaava

Matemaattisesti sähkövirta ilmaistaan ​​yhtälöllä:
I = ΔQ / Δt
Kaavan kuvaus: I = sähkövirta, ΔQ = sähkövarauksen määrä, Δt = aikaväli.

Sähkövirran yksikkö

Sähkövarauksen yksikkö on Coulomb, ajan yksikkö on sekunti, joten sähkövirran yksikkö on Coulomb/sekunti. Coulomb/sekuntia kutsutaan myös ampeeriksi , joka on nimetty ranskalaisen fyysikon André Marie Amperen (1775-1836) mukaan. 1 ampeeri = 1 Coulomb/sekunti (1 A = 1 C/s). Toisin sanoen 1 ampeerin sähkövirta vastaa 1 Coulombin sähkövarauksen kulkua johtimen poikkileikkausalan läpi 1 sekunnin ajan. Ampeerien lisäksi sähkövirta ilmaistaan ​​myös milliampeereina (1 mA = 10⁻⁶ ^A ), mikroampeereina (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoampeereina (1 nA = 10⁻⁶ ^A ) tai pikoampeereina (1 pA = ^10⁻⁶ A).

Esimerkkikysymys 1:

Johtimessa kulkee 2 ampeerin virta 8 sekunnin ajan. Määritä pisteen läpi kulkevan varauksen suuruus ja varauksessa olevien elektronien lukumäärä!
Keskustelu
Tiedetään, että:
Sähkövirta (I) = 1 ampeeria
Aikaväli (t) = 2 sekuntia
Kysytty: varaus (Q) ja elektronien lukumäärä (e)
Vastaus:
Sähkövirran kaava:
I = Q/t
Kaavan kuvaus: I = sähkövirta, Q = sähkövaraus, t = aikaväli
Sähkövaraus:
Q = I t = (2 ampeeria)(8 sekuntia) = 16 Coulombia.

Yhden elektronin varaus on 1,6 x 10⁻⁹ ^Coulombia , joten 16 Coulombin varauksessa on yhtä monta elektronia kuin 16 C:ssä / 1,6 x 10⁻⁹ ^Coulombia = 10 x ^10⁻¹ elektronia.

Sähkövirta, ajautumisnopeus ja virrantiheys

Tarkastellaan positiivista varausta, joka liikkuu oikealle ajautumisnopeudella v sähkökentän E suuntaan johtimessa, jonka poikkileikkauspinta-ala on A. Positiivinen varaus liikkuu matkan s = vt aikavälissä t.

Jos varattujen hiukkasten lukumäärä tilavuutta kohden (varattujen hiukkasten tiheys) on n ja johtimen tilavuus on A s = A vt, niin johtimen tilavuudessa olevien varattujen hiukkasten lukumäärä on n A vt. Jos jokaisella varatulla hiukkasella on varaus q, niin johtimen pään läpi aikavälillä t kulkevan varauksen määrä on Q = nq A vt. Siten johtimen pään läpi kulkeva sähkövirta on I = Q/t = nq A v. Virrantiheys eli virta poikkileikkauspinta-alaa kohti on J = I/A = nq v. Voidaan päätellä, että johtimessa virtaava virta on varattujen hiukkasten tiheyden (n), kunkin hiukkasen varauksen suuruuden (q), johtimen poikkileikkauspinta-alan (A) ja varattujen hiukkasten ajautumisnopeuden (v) kertolasku.

Tutki seuraavaa esimerkkiongelmaa ymmärtääksesi eron yksittäisten varattujen hiukkasten nopeuden ja kaikkien varattujen hiukkasten ajautumisnopeuden välillä.

Esimerkkikysymys 2:

Kuparijohtimessa, jonka poikkileikkauspinta-ala on 3 x 10, kulkee 10 ampeerin vakiovirta.^-6 m²Vapaiden elektronien tiheys on 8,4 x 10²⁸ elektroneja/m³Määritä vapaiden elektronien ajautumisnopeus!
Keskustelu
Tiedetään, että:
Sähkövirta (I) = 10 ampeeria
Johdon poikkileikkauspinta-ala (A) = 3 x 10^-6 m²
Vapaiden elektronien tiheys (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronivaraus (q) = 1,6 x 10^-19 C
Kysytty: Vapaan elektronin ajautumisnopeus (v)
Vastaus:
Elektronien nopeus lasketaan aiemmin johdetulla kaavalla:

Kuvaus: I = sähkövirta, n = varattujen hiukkasten tiheys = vapaiden elektronien tiheys, q = yhden elektronin varaus, A = johtimen poikkileikkauspinta-ala, v = elektronin ajautumisnopeus

Elektronin ajautumisnopeus on 0,248 x 10⁻³ ^metriä sekunnissa = 0,248 millimetriä sekunnissa.

Vapaat elektronit liikkuvat yhdessä johdossa nopeudella 0,248 millimetriä sekunnissa. Toisin sanoen, joka sekunti kaikki vapaat elektronit liikkuvat 0,248 millimetriä. Tämä on hyvin hidas nopeus. Jos vapaiden elektronien liike on niin hidasta, miksi sähkövalo syttyy heti kytkimen kytkemisen jälkeen?

Ymmärtääksesi tämän, ajattele elektronien virtausta johtimessa kuin veden virtausta letkussa. Jos letku on täynnä vettä ja letkun toinen pää on kytketty hanaan, vesi virtaa välittömästi ulos toisesta päästä. Vastaavasti kuparijohdossa ja hehkulampun johdossa on vapaita elektroneja. Kun kytkin kytketään päälle, syntyy sähkökenttä, jonka nopeus lähestyy valonnopeutta (valonnopeus = 3 x 108 ^metriä /sekunti), mikä saa vapaat elektronit välittömästi liikkumaan yhdessä. Hehkulampun johdossa on jo vapaita elektroneja, joten lamppu syttyy välittömästi.