Definición de corrente eléctrica
Dentro dun condutor como o cobre, hai electróns que se moven libre e aleatoriamente a altas velocidades, pero que non escapan do metal. Os electróns que se poden mover libremente chámanse electróns libres. Aínda que os electróns se moven libremente en todas as direccións, non hai un fluxo neto de electróns en ningunha dirección en particular. Esta condición ocorre cando non hai diferenza de potencial entre os dous extremos do fío de cobre.
Cando o cable se conecta a unha fonte eléctrica, xorde unha diferenza de potencial entre os dous extremos do cable de cobre, creando así un campo eléctrico no cable de cobre. A presenza dun campo eléctrico fai que os electróns libres experimenten unha forza eléctrica F = q E = e E, onde F = forza eléctrica, e = carga do electrón, E = campo eléctrico . A forza eléctrica fai que todos os electróns en movemento libre experimenten unha aceleración común na mesma dirección que a forza eléctrica.
Estes electróns libres, movéndose xuntos, están situados entre os átomos estacionarios do fío de cobre, o que fai que todos os electróns choquen con estes átomos. Estas colisións fan que os electróns libres cambien a súa dirección de movemento. Todos estes electróns están constantemente sometidos a unha forza eléctrica, o que fai que aceleren na mesma dirección que a forza eléctrica. Despois de moverse durante un momento, os electróns libres volven chocar cos átomos do fío de cobre. Non obstante, os electróns libres sempre están sometidos a unha forza eléctrica, o que fai que todos os electróns volvan acelerar.
Entón, ademais de moverse aleatoriamente en varias direccións, todos os electróns libres tamén se moven xuntos lentamente na dirección da forza eléctrica e na dirección oposta ao campo eléctrico. A dirección do campo eléctrico é de alto potencial eléctrico a baixo potencial eléctrico, mentres que os electróns se moven de baixo potencial a alto potencial. O movemento aleatorio de cada electrón libre ten unha velocidade moi rápida, mentres que o movemento colectivo dos electróns libres na dirección da forza eléctrica ten unha velocidade moi lenta. Este movemento colectivo dos electróns libres na dirección da forza eléctrica tamén se denomina velocidade de deriva.
A corrente eléctrica defínese como o fluxo de carga eléctrica a través da sección transversal dun condutor durante un intervalo de tempo específico. Por convención, a dirección da corrente eléctrica é a mesma que a dirección do movemento das cargas positivas. Este acordo fíxose antes de que se soubese que o que realmente se move nun condutor son electróns libres con carga negativa. A dirección do movemento dos electróns nun condutor é oposta á dirección da corrente eléctrica. Polo tanto, ao falar da corrente que flúe nun condutor, o que se refire é ao fluxo de cargas positivas, tamén coñecido como corrente convencional porque é o resultado deste acordo.
Fórmula da corrente eléctrica
Matematicamente, a corrente eléctrica exprésase coa ecuación:
I = ΔQ / Δt
Descrición da fórmula: I = corrente eléctrica, ΔQ = cantidade de carga eléctrica, Δt = intervalo de tempo.
Unidade de corrente eléctrica
A unidade de carga eléctrica é o culombio, a unidade de tempo é o segundo, polo que a unidade de corrente eléctrica é o culombio/segundo. O culombio/segundo tamén se chama ampere , nomeado así polo físico francés André Marie Ampère (1775-1836). 1 ampere = 1 culombio/segundo (1 A = 1 C/s). Noutras palabras, unha corrente eléctrica de 1 ampere é igual a unha carga eléctrica de 1 culombio que pasa a través dunha área de sección transversal dun fío durante 1 segundo. Ademais de expresarse en amperios, a corrente eléctrica tamén se expresa en miliamperios (1 mA = 10⁻³ A ), microamperios (1 μA = 10⁻⁶ A), nanoamperios (1 nA = 10⁻⁹ A) ou picoamperios (1 pA = 10⁻¹² A).
Pregunta de exemplo 1:
Unha corrente de 2 amperios flúe a través dun cable durante 8 segundos. Determina a magnitude da carga que pasa por un punto e o número de electróns nesa carga!
Discusión
Sábese que:
Corrente eléctrica (I) = 1 amperio
Intervalo de tempo (t) = 2 segundos
Preguntou: carga (Q) e número de electróns (e)
Resposta:
Fórmula da corrente eléctrica:
I = Q/t
Descrición da fórmula: I = corrente eléctrica, Q = carga eléctrica, t = intervalo de tempo
Carga eléctrica:
Q = I t = (2 amperios)(8 segundos) = 16 culombios.
A carga dun electrón é de 1,6 x 10⁻¹19 culombios , polo que unha carga de 16 culombios ten tantos electróns como 16 C / 1,6 x 10⁻¹19 culombios = 10 x 10⁻¹19 electróns.
Corrente eléctrica, velocidade de deriva e densidade de corrente
Considere unha carga positiva que se move cara á dereita cunha velocidade de deriva v na dirección dun campo eléctrico E nun condutor con área de sección transversal A. A carga positiva móvese unha distancia s = vt durante un intervalo de tempo t.
Se o número de partículas cargadas por volume (densidade de partículas cargadas) é n e o volume do condutor é A s = A vt, entón o número de partículas cargadas no volume do condutor é n A v t. Se cada partícula cargada ten unha carga q, entón a cantidade de carga que pasa polo extremo do condutor durante o intervalo de tempo t é Q = nq A v t. Polo tanto, a corrente eléctrica que flúe polo extremo do condutor é I = Q/t = nq A v. Mentres que a densidade de corrente ou corrente por área de sección transversal A é J = I/A = nq v. Pódese concluír que a corrente que flúe no condutor é o resultado da multiplicación da densidade de partículas cargadas (n), a magnitude da carga de cada partícula (q), a área de sección transversal do condutor (A) e a velocidade de deriva das partículas cargadas (v).
Estuda o seguinte problema de exemplo para comprender a diferenza entre a velocidade de cada partícula cargada e a velocidade de deriva de todas as partículas cargadas.
Pregunta de exemplo 2:
Unha corrente constante de 10 amperios flúe nun cable de cobre cunha sección transversal de 3 x 10-6 m2A densidade de electróns libres é 8,4 x 1028 electróns/m3Determina a velocidade de deriva dos electróns libres!
Discusión
Sábese que:
Corrente eléctrica (I) = 10 amperio
Área da sección transversal do fío (A) = 3 x 10-6 m2
Densidade de electróns libres (n) = 8,4 x 1028 m-3
Carga do electrón (q) = 1,6 x 10-19 C
Preguntou: Velocidade de deriva dos electróns libres (v)
Resposta:
A velocidade dos electróns calcúlase usando a fórmula derivada anteriormente:
Descrición: I = corrente eléctrica, n = densidade de partículas cargadas = densidade de electróns libres, q = carga dun electrón, A = área da sección transversal do condutor, v = velocidade de deriva dos electróns
A velocidade de deriva dos electróns é de 0,248 x 10⁻³ metros /segundo = 0,248 milímetros/segundo.
Os electróns libres móvense xuntos nun cable a unha velocidade de 0,248 milímetros por segundo. Noutras palabras, cada segundo todos os electróns libres móvense 0,248 milímetros. Esta é unha velocidade moi lenta. Se o movemento dos electróns libres é tan lento, por que se acende unha luz eléctrica inmediatamente despois de acender o interruptor?
Para entender isto, considere o fluxo de electróns nun condutor como o fluxo de auga nunha mangueira. Se a mangueira está chea de auga, se un extremo da mangueira está conectado a unha billa, a auga sairá inmediatamente polo outro extremo. Do mesmo xeito, hai electróns libres no cable de cobre e no cable da lámpada. Cando se acende o interruptor, xérase un campo eléctrico cunha velocidade que se aproxima á velocidade da luz (velocidade da luz = 3 x 108 metros /segundo), o que fai que os electróns libres comecen a moverse xuntos inmediatamente. Xa hai electróns libres no cable da lámpada, polo que a lámpada acéndese inmediatamente.
