Električna struja

Definicija električne struje

U vodiču poput bakra postoje elektroni koji se slobodno kreću nasumično velikom brzinom, ali ne izlaze iz metala. Elektroni koji se mogu slobodno kretati nazivaju se slobodni elektroni. Iako se elektroni slobodno kreću u svim smjerovima, ne postoji ukupni tok elektrona u 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, tako da se unutar bakrene žice pojavljuje električno polje. Postojanje 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 . Ova električna sila uzrokuje da svi elektroni koji se slobodno kreću ubrzavaju zajedno, što je isti smjer kao i električna sila.

Slobodni elektroni koji se kreću zajedno nalaze se između atoma koji ostaju u bakrenoj žici, tako da se svi elektroni sudaraju s atomima. Sudar uzrokuje promjenu smjera slobodnih elektrona. Svi ti elektroni uvijek doživljavaju električnu silu tako da se svi elektroni ubrzavaju u istom smjeru kao i smjer električne sile. Nakon što se na trenutak pomaknu, slobodni elektroni sudaraju s atomima u bakrenoj žici. Ali slobodni elektroni uvijek doživljavaju električnu silu tako da se svi elektroni ponovno ubrzavaju. Dakle, osim što se nasumično kreću u raznim smjerovima, svi slobodni elektroni se također polako kreću zajedno 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 gibanje slobodnih elektrona u smjeru električne sile ima vrlo malu brzinu. Ovo 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. U skladu s tim dogovorom, smjer električne struje jednak je smjeru pozitivnog naboja. Ovaj dogovor postignut je prije nego što se znalo da se u vodiču zapravo kreću negativno nabijeni slobodni elektroni. Smjer kretanja elektrona u vodiču suprotan je smjeru električne struje. Dakle, ako raspravljamo o struji koja teče u vodiču, misli se na protok pozitivnog naboja, koji se naziva i konvencionalnom strujom jer je rezultat dogovora.

Jednadžba električne struje

Matematički, električna struja se izražava jednadžbom:

I = ΔQ / Δt

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, po imenu francuskog fizičara Andre Marie Amperiea (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 površinu poprečnog presjeka žice tijekom 1 sekunde. Osim što se izražava u amperima, električne struje se izražavaju i u miliamperima (1 mA = 10⁻³ ^A ), mikroamperima (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamperima (1 nA = 10⁻⁹ A) ili pikoamperima (1 pA = 10⁻¹² ^A ).

Primjer problema 1:

Struja od 2 ampera teče kroz žicu 8 sekundi. Odredi količinu naboja koja prolazi kroz točku i broj elektrona u tom naboju!

Znan:

Električna struja (I) = 1 Amper

Vremenski interval (t) = 2 sekundi

Traži se: naboj (Q) i broj elektrona (e)

Rješenje:

Jednadžba električne struje:

I = Q/t

I = električna struja, Q = električni naboj, t = vremenski interval

Električni naboj:

Q = I t = (2 Ampera)(8 sekundi) = 16 C.

Naboj jednog elektrona je 1.6 x 10⁻¹⁹ ^Coulomb -a, pa naboj od 16 Coulomb-a ima onoliko elektrona koliko i 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ ^Coulomb -a = 10 x ^10⁻¹⁹ elektrona.

Električna struja, brzina drifta i gustoća struje

Promotrite pozitivni naboj koji se kreće udesno brzinom v u smjeru električnog polja E.

na vodiču koji ima poprečni presjek A. Pozitivni naboj se pomiče za s = vt tijekom vremenskog intervala t.

Ako je broj nabijenih čestica po volumenu (gustoća nabijenih čestica) n, a volumen vodiča je 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 intervala t Q = nq A v t. Dakle, električna struja koja teče kroz vrh 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 produkt umnožka gustoće nabijenih čestica (n),

količina naboja za svaku česticu (q), površina vodiča (A) i brzina nabijenih čestica (v).

Proučite sljedeće primjere pitanja.

Primjer problema 2:

Konstantna struja od 10 ampera teče bakrenom žicom presjeka 3 x 10⁻⁶ ^m² . ^Gustoća slobodnih elektrona je 8.4 x ^10²⁶ elektrona/m³ ^. Odredite brzinu drifta slobodnih elektrona!

Znan:

Električna struja (I) = 10 Amper

^Površina poprečnog presjeka žice (A) = 3 x ^10⁻⁶ m²

^{Gustoća slobodnih elektrona (} n) = 8.4 x ^10²⁻¹ m⁻³

Naboj elektrona (q) = 1.6 x ^10⁻¹⁴ C

Traži se: Brzina slobodnog drifta elektrona (v)

Rješenje:

Brzina elektrona izračunava se pomoću formule koja je već izvedena:

I = električna struja, n = gustoća nabijenih čestica = gustoća 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 pomaknu se za 0.248 milimetara. To je vrlo mala brzina. Ako je kretanje slobodnih elektrona vrlo sporo, zašto se električno svjetlo odmah pali nakon što se uključi prekidač?

Da bismo to razumjeli, elektroni teku u vodiču poput toka vode unutar crijeva. Ako je crijevo napunjeno vodom, onda ako je jedan kraj crijeva spojen na slavinu, voda odmah teče s jednog kraja drugog crijeva. Slično tome, postoje slobodni elektroni u bakrenoj žici i žici žarulje. Kada se prekidač uključi, nastaje električno polje brzinom koja se približava brzini svjetlosti (brzina svjetlosti = 3 x 10 ⁸ metara/sekundi), što uzrokuje da se slobodni elektroni počnu kretati zajedno u tom trenutku. U žici žarulje već postoje slobodni elektroni tako da je svjetlo upaljeno u tom trenutku.

Problemi i rješenja

1. Stalna struja od 10 A postoji u vodiču 2 minute. Koliki dio naboja prolazi kroz vodič na bilo kojem mjestu?

Poznato:

Električna struja (I) = 10 A

Vremenski interval (t) = 2 minute = 2 x 60 sekundi = 120 sekundi

Traži se: Naboj (Q)

rješenje:

Jednadžba električne struje:

I = q/t

I = električna struja, q = električni naboj, t = vremenski interval

Električni naboj:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. Naboj od 60 C prolazi pored točke u strujnom krugu tijekom 5 minuta. Kolika je električna struja?

Poznato:

Vremenski interval (t) = 5 minuta = 5 x 60 sekundi = 300 sekundi

Električni naboj (Q) = 60 C

Traži se: Električna struja (I)

rješenje:

Električna struja:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 kulona/sekundi

I = 0.2 ampera

3. Jedinica za električnu struju u SI sustavu je…

Riješenje

Kuloni/sekunda

Kuloni/sekunde, dobili su poseban naziv, amper.