Elektromos áram

Az elektromos áram meghatározása

Egy vezetőben, például a rézben, elektronok vannak, amelyek szabadon és véletlenszerűen mozognak nagy sebességgel, de nem szöknek ki a fémből. A szabadon mozgó elektronokat szabad elektronoknak nevezzük. Bár az elektronok szabadon mozoghatnak minden irányban, egyetlen adott irányban sincs nettó elektronáramlás. Ez az állapot akkor fordul elő, ha nincs potenciálkülönbség a rézhuzal két vége között.

Amikor a vezetéket elektromos forráshoz csatlakoztatjuk, potenciálkülönbség keletkezik a rézhuzal két vége között, így elektromos mező jön létre a rézhuzalban. Az elektromos mező jelenléte miatt a szabad elektronok elektromos erőhatást tapasztalnak F = q E = e E, ahol F = elektromos erő, e = elektron töltése, E = elektromos mező . Az elektromos erő hatására az összes szabadon mozgó elektron közös gyorsulást tapasztal, az elektromos erő irányával megegyező irányban.

Ezek a szabad elektronok együtt mozogva a rézhuzalban lévő álló atomok között helyezkednek el, aminek következtében az összes elektron ütközik ezekkel az atomokkal. Ezek az ütközések a szabad elektronok mozgásirányának megváltoztatását okozzák. Mindezek az elektronok folyamatosan elektromos erőhatásnak vannak kitéve, aminek következtében az elektromos erő irányával megegyező irányban gyorsulnak. Egy pillanatnyi mozgás után a szabad elektronok ismét ütköznek a rézhuzalban lévő atomokkal. A szabad elektronok azonban mindig elektromos erőhatásnak vannak kitéve, aminek következtében az összes elektron ismét gyorsul.

Tehát amellett, hogy véletlenszerűen mozognak különböző irányokba, az összes szabad elektron lassan együtt is mozog az elektromos erő irányában és az elektromos térrel ellentétes irányában. Az elektromos tér iránya a nagy elektromos potenciáltól az alacsony elektromos potenciálig terjed, míg az elektronok az alacsony potenciáltól a magas potenciálig mozognak. Az egyes szabad elektronok véletlenszerű mozgása nagyon gyors, míg a szabad elektronok kollektív mozgása az elektromos erő irányában nagyon lassú. A szabad elektronoknak ezt a kollektív mozgását az elektromos erő irányában sodródási sebességnek is nevezik.

Az elektromos áram az elektromos töltés áramlását jelenti egy vezető keresztmetszetén keresztül egy adott időintervallum alatt. Megállapodás szerint az elektromos áram iránya megegyezik a pozitív töltések mozgási irányával. Ez az egyezség még azelőtt létrejött, hogy ismertté vált volna, hogy a vezetőben valójában szabad, negatív töltésű elektronok mozognak. Az elektronok mozgásának iránya a vezetőben ellentétes az elektromos áram irányával. Ezért, amikor a vezetőben folyó áramról beszélünk, pozitív töltések áramlását értjük, más néven hagyományos áramot, mivel ez ennek az egyezségnek az eredménye.

Elektromos áram képlete

Matematikailag az elektromos áramot a következő egyenlet fejezi ki:
I = ΔQ / Δt
Képletleírás: I = elektromos áram, ΔQ = elektromos töltés nagysága, Δt = időintervallum.

Az elektromos áram mértékegysége

Az elektromos töltés mértékegysége a Coulomb, az idő mértékegysége a másodperc, így az elektromos áram mértékegysége a Coulomb/másodperc. A Coulomb/másodpercet ampernek is nevezik , amely a francia fizikusról, André Marie Ampere-ről (1775-1836) kapta a nevét. 1 amper = 1 Coulomb/másodperc (1 A = 1 C/s). Más szóval, az 1 amper erősségű elektromos áram egyenlő egy 1 Coulomb erősségű elektromos töltéssel, amely 1 másodperc alatt áthalad egy vezeték keresztmetszetén. Az elektromos áramot az amper mellett milliamperben (1 mA = 10⁻⁸ ^A ), mikroamperben (1 μA = 10⁻⁸ ^A ), nanoamperben (1 nA = 10⁻⁸ ^A ) vagy pikoamperben (1 pA = 10⁻⁸ ^A ) is kifejezik.

1. példakérdés:

Egy vezetéken 8 másodpercig 2 amperes áram folyik. Határozza meg az adott ponton áthaladó töltés nagyságát és a töltésben lévő elektronok számát!
Vita
Köztudott, hogy:
Elektromos áram (I) = 1 amper
Időintervallum (t) = 2 másodperc
Kérdezte: töltés (Q) és elektronszám (e)
Válasz:
Elektromos áram képlete:
I = Q/t
Képletleírás: I = elektromos áram, Q = elektromos töltés, t = időintervallum
Elektromos töltés:
Q = I t = (2 amper)(8 másodperc) = 16 coulomb.

Egy elektron töltése 1,6 x 10⁻⁹ ^Coulomb , tehát egy 16 Coulomb töltés annyi elektront tartalmaz, mint 16 C / 1,6 x 10⁻⁹ ^Coulomb = 10 x ^10⁹ elektron.

Elektromos áram, sodródási sebesség és áramsűrűség

Tekintsünk egy pozitív töltést, amely v sodródási sebességgel jobbra mozog egy E elektromos tér irányában egy A keresztmetszetű vezetőben. A pozitív töltés s = vt távolságot tesz meg t időközönként.

Ha a térfogatra jutó töltött részecskék száma (részecske-sűrűség) n, és a vezető térfogata A s = A vt, akkor a vezető térfogatában lévő töltött részecskék száma n A vt. Ha minden töltött részecske töltése q, akkor a vezető végén t időintervallum alatt áthaladó töltés mennyisége Q = nq A vt. Tehát a vezető végén átfolyó elektromos áram I = Q/t = nq A v. Míg az áramsűrűség vagy áram keresztmetszeti területre (A) vonatkoztatva J = I/A = nq v. Megállapítható, hogy a vezetőben folyó áram a töltött részecskék sűrűségének (n), az egyes részecskék töltésének nagyságának (q), a vezető keresztmetszeti területének (A) és a töltött részecskék sodródási sebességének (v) szorzatának eredménye.

Tanulmányozd a következő példafeladatot, hogy megértsd az egyes töltéssel rendelkező részecskék sebessége és az összes töltött részecskék sodródási sebessége közötti különbséget.

2. példakérdés:

Egy 3 x 10 keresztmetszetű rézhuzalban 10 amperes állandó áram folyik.^-6 m²A szabad elektronsűrűség 8,4 x 10²⁸ elektronok/m³Határozza meg a szabad elektronok sodródási sebességét!
Vita
Köztudott, hogy:
Elektromos áram (I) = 10 amper
Vezeték keresztmetszeti területe (A) = 3 x 10^-6 m²
Szabad elektronsűrűség (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektrontöltés (q) = 1,6 x 10^-19 C
Kérdezte: Szabad elektron sodródási sebesség (v)
Válasz:
Az elektronok sebességét a korábban levezetett képlettel számítjuk ki:

Leírás: I = elektromos áram, n = a töltött részecskék sűrűsége = a szabad elektronok sűrűsége, q = egy elektron töltése, A = a vezető keresztmetszeti területe, v = az elektron sodródási sebessége

Az elektron sodródási sebessége 0,248 x 10⁻³ ^méter /másodperc = 0,248 milliméter/másodperc.

A szabad elektronok másodpercenként 0,248 milliméter sebességgel mozognak együtt egy vezetékben. Más szóval, másodpercenként az összes szabad elektron 0,248 millimétert mozog. Ez egy nagyon lassú sebesség. Ha a szabad elektronok mozgása ilyen lassú, miért kapcsol be azonnal az elektromos lámpa a kapcsoló felkapcsolása után?

Ennek megértéséhez tekintsük az elektronok áramlását egy vezetőben úgy, mint a víz áramlását egy tömlőben. Ha a tömlő tele van vízzel, akkor ha a tömlő egyik végét egy csaphoz csatlakoztatjuk, a víz azonnal kifolyik a másik végén. Hasonlóképpen, szabad elektronok vannak a rézhuzalban és a villanykörte vezetékében. Amikor a kapcsolót bekapcsoljuk, egy elektromos mező keletkezik, amelynek sebessége megközelíti a fénysebességet (fénysebesség = 3 x 108 ^méter /másodperc), aminek következtében a szabad elektronok azonnal elkezdenek együtt mozogni. A villanykörte vezetékében már vannak szabad elektronok, így a villanykörte azonnal felgyullad.