Elektromos áram

Az elektromos áram meghatározása

Egy vezetőben, például a rézben, vannak olyan elektronok, amelyek szabadon, nagy sebességgel, véletlenszerűen mozognak, de nem szöknek ki a fémből. A szabadon mozgó elektronokat szabad elektronoknak nevezzük. Bár az elektronok szabadon mozoghatnak minden irányban, nincs teljes elektronáramlás egy adott irányban. 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 jelenik meg a rézhuzalban. Az elektromos mező megléte miatt a szabad elektronok F = q E = e E elektromos erőhatást tapasztalnak, ahol F = elektromos erő , e = elektron töltése, E = elektromos mező . Ez az elektromos erő arra készteti az összes szabadon mozgó elektront, hogy együtt gyorsuljon, ami az elektromos erő irányával megegyező irányú.

A rézhuzalban maradó atomok között együtt mozgó szabad elektronok így minden elektron ütközik az atomokkal. Az ütközés megváltoztatja a szabad elektronok irányát. Mindezek az elektronok mindig elektromos erőhatást tapasztalnak, így minden elektron az elektromos erő irányával megegyező irányban gyorsul. Egy pillanatnyi mozgás után a szabad elektronok ütköznek a rézhuzal atomjaival. De a szabad elektronok mindig elektromos erőhatást tapasztalnak, így minden elektron ismét gyorsul. Tehát amellett, hogy véletlenszerűen mozognak különböző irányokba, minden szabad elektron lassan együtt is mozog az elektromos erő irányában és az elektromos térrel ellentétes irányban. Az elektromos tér iránya a nagy elektromos potenciáltól az alacsony elektromos potenciálig terjed, míg az elektronok az alacsony potenciáltól a magas potenciálig mozognak. Minden szabad elektron véletlenszerű mozgása nagyon gyors, míg a szabad elektronok elektromos erő irányába történő mozgása nagyon lassú. Ezt a szabad elektronok elektromos erő irányába történő mozgását sodródási sebességnek is nevezik.

Az elektromos áram az elektromos töltés áramlását jelenti egy vezető keresztmetszetén egy bizonyos időintervallum alatt. A megállapodásnak megfelelően az elektromos áram iránya megegyezik a pozitív töltés irányával. Ez a megállapodás még azelőtt létrejött, hogy ismertté vált volna, hogy a vezetőben valójában a negatív töltésű szabad elektronok mozognak. Az elektronok mozgásának iránya a vezetőben ellentétes az elektromos áram irányával. Tehát, ha a vezetőben folyó áramról beszélünk, akkor pozitív töltés áramlását értjük alatta, amelyet hagyományos áramnak is nevezünk, mivel egy megállapodás eredménye.

Az elektromos áram egyenlete

Matematikailag az elektromos áramot a következő egyenlet fejezi ki:

I = ΔQ / Δt

I = elektromos áram, ΔQ = elektromos töltés mennyisége, Δt = időintervallum.

Az elektromos áram mértékegysége

Az elektromos töltés mértékegysége Coulomb, az idő mértékegysége a másodperc, tehát az elektromos áram mértékegysége Coulomb/másodperc. A Coulomb/másodpercet ampernek is nevezik, André Marie Ampere (1775-1836) francia fizikus nevéből. 1 amper = 1 Coulomb/másodperc (1 A = 1 C/s). Más szóval, az 1 amper erősségű elektromos áram egyenlő 1 Coulomb erősségű elektromos töltéssel, amely 1 másodperc alatt áthalad egy vezeték keresztmetszetén. Az elektromos áramokat 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. mintafeladat:

2 amperes áram folyik át a vezetéken 8 másodpercig. Határozza meg az adott ponton áthaladó töltés mennyiségét és a töltésben lévő elektronok számát!

Ismert:

Elektromos áram (I) = 1 amper

Időintervallum (t) = 2 másodperc

Keresett: töltés (Q) és elektronszám (e)

Megoldás:

Az elektromos áram egyenlete:

I = Q/t

I = elektromos áram, Q = elektromos töltés, t = időintervallum

Elektromos töltés:

Q = I t = (2 amper)(8 másodperc) = 16 °C.

Egy elektron töltése 1.6 x 10⁻⁹ ^Coulomb , tehát 16 Coulomb töltésében annyi elektron van, mint 16 C-ben / 1.6 x 10⁻⁹ ^Coulomb = 10 x ^10⁻¹ elektronban.

Elektromos áram, sodródási sebesség és áramsűrűség

Vizsgáld meg a pozitív töltést, amely a sebességgel jobbra halad, v-vel sodródva az E elektromos tér irányába.

egy A keresztmetszetű vezetőn. A pozitív töltés s = vt távolságig mozog t időközönként.

Ha a térfogatra jutó töltött részecskék száma (a töltött részecskék sűrűsége) n, és a vezető térfogata A s = A vt,

akkor a vezető térfogatában lévő töltött részecskék száma n A v t. Ha minden töltött részecske töltése q, akkor a vezető végén a t időintervallum alatt áthaladó töltés mennyisége Q = nq A v t. Tehát a vezető hegyén átfolyó elektromos áram I = Q / t = nq A v. Míg az áramsűrűség, vagyis az A keresztmetszeti területre jutó áram J = I / A = nq v.

Megállapítható, hogy a vezetőben folyó áram a töltött részecskék sűrűségének (n) szorzata,

az egyes részecskék töltése (q), a vezető területe (A) és a töltött részecskék sebessége (v).

Tanulmányozd a következő példakérdéseket.

2. mintafeladat:

^{Egy 3 x 10⁻⁶} m² keresztmetszetű rézhuzalban 10 amperes állandó áram folyik . A szabad elektronsűrűség 8.4 x ^10⁻² elektron/m³ ^. Határozza meg a szabad elektronok sodródásának sebességét!

Ismert:

Elektromos áram (I) = 10 amper

Vezeték keresztmetszeti területe (A) = 3 ^{x 10⁻⁶} m²

Szabad elektronsűrűség (n) = 8.4 ^{x 10²⁻¹} m⁻³

Elektrontöltés (q) = 1.6 x ^10⁻⁹ C

Keresett: A szabad elektron sodródási sebessége (v)

Megoldás:

Az elektronok sebességét egy korábban már levezetett képlettel számítjuk ki:

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

Az elektronsodródás 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, minden egyes másodpercben az összes szabad elektron akár 0.248 millimétert is elmozdul. Ez egy nagyon lassú sebesség. Ha a szabad elektronok mozgása nagyon lassú, miért kapcsol be azonnal az elektromos lámpa a kapcsoló felkapcsolása után?

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

Problémák és megoldások

1. Egy vezetékben 2 percig állandó 10 A erősségű áram folyik. A töltés mekkora része halad át a vezetőn bármely ponton?

Ismert:

Elektromos áram (I) = 10 A

Időintervallum (t) = 2 perc = 2 x 60 másodperc = 120 másodperc

Keresett: Töltet (Q)

megoldás:

Az elektromos áram egyenlete:

I = q/t

I = az elektromos áram, q = az elektromos töltés, t = az időintervallum

Az elektromos töltés:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. 60 C-os töltés halad el az áramkör egy pontján 5 percig. Mekkora az elektromos áram erőssége?

Ismert:

Az időintervallum (t) = 5 perc = 5 x 60 másodperc = 300 másodperc

Az elektromos töltés (Q) = 60°C

Keresett: Az elektromos áram (I)

megoldás:

Az elektromos áram:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 Coulomb/másodperc

I = 0.2 amper

3. Az elektromos áram mértékegysége az SI-rendszerben…

Megoldás

Coulomb/másodperc

Coulomb/másodperc, melyet külön névvel, amperrel jelöltek.