Definicija električne struje
Unutar vodiča poput bakra nalaze se elektroni koji se slobodno i nasumično kreću velikim brzinama, ali ne bježe iz metala. Elektroni koji se mogu slobodno kretati nazivaju se slobodni elektroni. Iako se elektroni slobodno kreću u svim smjerovima, ne postoji neto tok elektrona u bilo kojem određenom smjeru. Ovo stanje nastaje kada ne postoji razlika potencijala između dva kraja bakrene žice.
Kada je žica spojena na električni izvor, između dva kraja bakrene žice nastaje razlika potencijala, stvarajući tako električno polje u bakrenoj žici. Prisutnost električnog polja uzrokuje da slobodni elektroni osjećaju električnu silu F = q E = e E, gdje je F = električna sila, e = naboj elektrona, E = električno polje . Električna sila uzrokuje da svi slobodno krećući se elektroni osjećaju zajedničko ubrzanje u istom smjeru kao i električna sila.
Ti slobodni elektroni, krećući se zajedno, nalaze se između nepokretnih atoma u bakrenoj žici, uzrokujući sudaranje svih elektrona s tim atomima. Ti sudari uzrokuju da slobodni elektroni promijene smjer kretanja. Svi ovi elektroni su stalno podvrgnuti električnoj sili, zbog čega ubrzavaju u istom smjeru kao i električna sila. Nakon što se na trenutak pomaknu, slobodni elektroni ponovno se sudaraju s atomima u bakrenoj žici. Međutim, slobodni elektroni su uvijek podvrgnuti električnoj sili, zbog čega svi elektroni ponovno ubrzavaju.
Dakle, osim što se nasumično kreću u raznim smjerovima, svi slobodni elektroni se također kreću zajedno polako u smjeru električne sile i u suprotnom smjeru od električnog polja. Smjer električnog polja je od visokog električnog potencijala do niskog električnog potencijala, dok se elektroni kreću od niskog potencijala do visokog potencijala. Nasumično gibanje svakog slobodnog elektrona ima vrlo veliku brzinu, dok kolektivno gibanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile ima vrlo malu brzinu. Ovo kolektivno gibanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile naziva se i brzina drifta.
Električna struja definirana je kao protok električnog naboja kroz presjek vodiča tijekom određenog vremenskog intervala. Po konvenciji, smjer električne struje jednak je smjeru gibanja pozitivnih naboja. Ovaj dogovor postignut je prije nego što se znalo da se u vodiču zapravo kreću slobodni, negativno nabijeni elektroni. Smjer kretanja elektrona u vodiču suprotan je smjeru električne struje. Stoga se, kada se govori o struji koja teče u vodiču, misli na protok pozitivnih naboja, poznat i kao konvencionalna struja jer je rezultat ovog dogovora.
Formula električne struje
Matematički, električna struja se izražava jednadžbom:
I = ΔQ / Δt
Opis formule: I = električna struja, ΔQ = količina električnog naboja, Δt = vremenski interval.
Jedinica električne struje
Jedinica električnog naboja je Coulomb, jedinica vremena je sekunda, pa je jedinica električne struje Coulomb/sekunda. Coulomb/sekunda se naziva i amper , nazvan po francuskom fizičaru Andre Marie Ampereu (1775.-1836.). 1 amper = 1 Coulomb/sekunda (1 A = 1 C/s). Drugim riječima, električna struja od 1 ampera jednaka je električnom naboju od 1 Coulomb koji prolazi kroz poprečni presjek žice tijekom 1 sekunde. Osim što se izražava u amperima, električna struja se izražava i u miliamperima (1 mA = 10⁻³ A ), mikroamperima (1 μA = 10⁶ A ), nanoamperima (1 nA = 10⁻⁹ A ) ili pikoamperima (1 pA = 10⁻¹² A).
Primjer pitanja 1:
Struja od 2 ampera teče kroz žicu 8 sekundi. Odredite veličinu naboja koji prolazi kroz točku i broj elektrona u tom naboju!
Rasprava
Poznato je da:
Električna struja (I) = 1 Amper
Vremenski interval (t) = 2 sekunda
Pitao/la sam: naboj (Q) i broj elektrona (e)
Odgovor:
Formula električne struje:
I = Q/t
Opis formule: I = električna struja, Q = električni naboj, t = vremenski interval
Električni naboj:
Q = I t = (2 Ampera)(8 sekundi) = 16 Kulona.
Naboj jednog elektrona je 1,6 x 10⁻¹⁴ kulona , pa naboj od 16 kulona ima onoliko elektrona koliko i 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁴ kulona = 10 x 10⁻¹⁴ elektrona.
Električna struja, brzina drifta i gustoća struje
Razmotrimo pozitivni naboj koji se kreće udesno brzinom drifta v u smjeru električnog polja E u vodiču s površinom poprečnog presjeka A. Pozitivni naboj se pomiče za udaljenost s = vt tijekom vremenskog intervala t.
Ako je broj nabijenih čestica po volumenu (gustoća nabijenih čestica) n, a volumen vodiča As = A vt, tada je broj nabijenih čestica u volumenu vodiča n A v t. Ako svaka nabijena čestica ima naboj od q, tada je količina naboja koja prolazi kroz kraj vodiča tijekom vremenskog intervala t Q = nq A v t. Dakle, električna struja koja teče kroz kraj vodiča je I = Q/t = nq A v. Dok je gustoća struje ili struja po površini presjeka A J = I/A = nq v. Može se zaključiti da je struja koja teče u vodiču rezultat množenja gustoće nabijenih čestica (n), veličine naboja svake čestice (q), površine presjeka vodiča (A) i brzine drifta nabijenih čestica (v).
Proučite sljedeći primjer problema kako biste razumjeli razliku između brzine svake nabijene čestice i brzine drifta svih nabijenih čestica.
Primjer pitanja 2:
Konstantna struja od 10 ampera teče bakrenom žicom s poprečnim presjekom 3 x 10-6 m2Gustoća slobodnih elektrona je 8,4 x 1028 elektrona/m3Odredite brzinu drifta slobodnih elektrona!
Rasprava
Poznato je da:
Električna struja (I) = 10 Amper
Površina poprečnog presjeka žice (A) = 3 x 10-6 m2
Gustoća slobodnih elektrona (n) = 8,4 x 1028 m-3
Naboj elektrona (q) = 1,6 x 10-19 C
Pitao/la sam: Brzina slobodnog drifta elektrona (v)
Odgovor:
Brzina elektrona izračunava se pomoću prethodno izvedene formule:
Opis: I = električna struja, n = gustoća nabijenih čestica = gustoća slobodnih elektrona, q = naboj jednog elektrona, A = površina poprečnog presjeka vodiča, v = brzina drifta elektrona
Brzina drifta elektrona je 0,248 x 10⁻³ metara /sekundi = 0,248 milimetara/sekundi.
Slobodni elektroni kreću se zajedno u žici brzinom od 0,248 milimetara u sekundi. Drugim riječima, svake sekunde svi slobodni elektroni pomiču se za 0,248 milimetara. To je vrlo mala brzina. Ako je kretanje slobodnih elektrona tako sporo, zašto se električno svjetlo odmah pali nakon što se uključi prekidač?
Da bismo to razumjeli, zamislite tok elektrona u vodiču kao tok vode u crijevu. Ako je crijevo napunjeno vodom, tada ako je jedan kraj crijeva spojen na slavinu, voda će odmah poteći iz drugog kraja. Slično tome, u bakrenoj žici i žici žarulje postoje slobodni elektroni. Kada se prekidač uključi, generira se električno polje brzinom koja se približava brzini svjetlosti (brzina svjetlosti = 3 x 108 metara /sekundi), što uzrokuje da se slobodni elektroni odmah počnu kretati zajedno. U žici žarulje već postoje slobodni elektroni, pa se žarulja odmah pali.
