Էլեկտրական հոսանք

Էլեկտրական հոսանքի սահմանումը

Պղնձի նման հաղորդչի ներսում կան էլեկտրոններ, որոնք ազատորեն և պատահականորեն շարժվում են մեծ արագությամբ, բայց չեն դուրս գալիս մետաղից: Ազատ շարժվող էլեկտրոնները կոչվում են ազատ էլեկտրոններ: Չնայած էլեկտրոնները ազատորեն շարժվում են բոլոր ուղղություններով, որևէ ուղղությամբ էլեկտրոնների զուտ հոսք չկա: Այս վիճակը տեղի է ունենում, երբ պղնձե մետաղալարի երկու ծայրերի միջև պոտենցիալների տարբերություն չկա:

Երբ լարը միացված է էլեկտրական աղբյուրին, պղնձե լարի երկու ծայրերի միջև առաջանում է պոտենցիալների տարբերություն, այդպիսով պղնձե լարում ստեղծելով էլեկտրական դաշտ: Էլեկտրական դաշտի առկայությունը ազատ էլեկտրոններին ստիպում է զգալ էլեկտրական ուժ՝ F = q E = e E, որտեղ F = էլեկտրական ուժ, e = էլեկտրոնային լիցք, E = էլեկտրական դաշտ : Էլեկտրական ուժը ստիպում է բոլոր ազատորեն շարժվող էլեկտրոններին զգալ ընդհանուր արագացում՝ էլեկտրական ուժի ուղղությամբ:

Այս ազատ էլեկտրոնները, շարժվելով միասին, տեղակայված են պղնձե մետաղալարի անշարժ ատոմների միջև, ինչի հետևանքով բոլոր էլեկտրոնները բախվում են այդ ատոմներին: Այս բախումները ստիպում են ազատ էլեկտրոններին փոխել իրենց շարժման ուղղությունը: Այս բոլոր էլեկտրոնները անընդհատ ենթարկվում են էլեկտրական ուժի, ինչի հետևանքով դրանք արագանում են էլեկտրական ուժի հետ նույն ուղղությամբ: Մի պահ շարժվելուց հետո ազատ էլեկտրոնները կրկին բախվում են պղնձե մետաղալարի ատոմներին: Սակայն ազատ էլեկտրոնները միշտ ենթարկվում են էլեկտրական ուժի, ինչի հետևանքով բոլոր էլեկտրոնները կրկին արագանում են:

Այսպիսով, տարբեր ուղղություններով պատահականորեն շարժվելուց բացի, բոլոր ազատ էլեկտրոնները նաև դանդաղորեն շարժվում են միասին էլեկտրական ուժի ուղղությամբ և էլեկտրական դաշտի հակառակ ուղղությամբ։ Էլեկտրական դաշտի ուղղությունը բարձր էլեկտրական պոտենցիալից ցածր էլեկտրական պոտենցիալ է, մինչդեռ էլեկտրոնները շարժվում են ցածր պոտենցիալից բարձր պոտենցիալ։ Յուրաքանչյուր ազատ էլեկտրոնի պատահական շարժումն ունի շատ մեծ արագություն, մինչդեռ ազատ էլեկտրոնների կոլեկտիվ շարժումը էլեկտրական ուժի ուղղությամբ ունի շատ դանդաղ արագություն։ Ազատ էլեկտրոնների այս կոլեկտիվ շարժումը էլեկտրական ուժի ուղղությամբ կոչվում է նաև դրեյֆի արագություն։

Էլեկտրական հոսանքը սահմանվում է որպես էլեկտրական լիցքի հոսք հաղորդչի լայնական հատույթով որոշակի ժամանակահատվածում: Համաձայն կոնվենցիայի՝ էլեկտրական հոսանքի ուղղությունը նույնն է, ինչ դրական լիցքերի շարժման ուղղությունը: Այս համաձայնությունը կնքվել է նախքան հայտնի դառնալը, որ հաղորդչի մեջ իրականում շարժվում են ազատ, բացասական լիցքավորված էլեկտրոնները: Հաղորդչի մեջ էլեկտրոնների շարժման ուղղությունը հակառակ է էլեկտրական հոսանքի ուղղությանը: Հետևաբար, հաղորդչի մեջ հոսող հոսանքի մասին խոսելիս նկատի է առնվում դրական լիցքերի հոսքը, որը հայտնի է նաև որպես ավանդական հոսանք, քանի որ այն այս համաձայնության արդյունքն է:

Էլեկտրական հոսանքի բանաձև

Մաթեմատիկորեն, էլեկտրական հոսանքը արտահայտվում է հավասարմամբ.
I = ΔQ / Δt
Բանաձևի նկարագրությունը. I = էլեկտրական հոսանք, ΔQ = էլեկտրական լիցքի քանակ, Δt = ժամանակային միջակայք։

Էլեկտրական հոսանքի չափման միավոր

Էլեկտրական լիցքի միավորը Կուլոնն է, ժամանակի միավորը՝ վայրկյանը, ուստի էլեկտրական հոսանքի միավորը Կուլոն/վայրկյան է։ Կուլոն/վայրկյանը կոչվում է նաև Ամպեր ՝ ֆրանսիացի ֆիզիկոս Անդրե Մարի Ամպերի (1775-1836) անունով։ 1 Ամպեր = 1 Կուլոն/վայրկյան (1 Ա = 1 Կ/վ)։ Այլ կերպ ասած, 1 Ամպեր էլեկտրական հոսանքը հավասար է 1 Կուլոն էլեկտրական լիցքի, որն անցնում է մետաղալարի լայնական հատույթով 1 վայրկյանում։ Ամպերով արտահայտվելուց բացի, էլեկտրական հոսանքը արտահայտվում է նաև միլիամպերներով (1 մԱ = 10-3 ^Ա ), միկրոամպերներով (1 μԱ = 10-6 ^Ա ), նանամպերներով (1 նԱ = 10-9 ^Ա ) կամ պիկոամպերներով (1 պԱ = 10-12 ^Ա )։

Օրինակ հարց 1:

2 ամպեր հոսանքը հոսում է 8 վայրկյան լարի միջով։ Որոշեք կետով անցնող լիցքի մեծությունը և այդ լիցքում էլեկտրոնների քանակը։
Քննարկում
Հայտնի է, որ՝
Էլեկտրական հոսանք (I) = 1 Ամպեր
Ժամանակային միջակայք (t) = 2 վայրկյան
Հարցրեց. լիցքը (Q) և էլեկտրոնների քանակը (e)
Պատասխան՝
Էլեկտրական հոսանքի բանաձևը՝
I = Q/t
Բանաձևի նկարագրությունը. I = էլեկտրական հոսանք, Q = էլեկտրական լիցք, t = ժամանակային միջակայք
Էլեկտրական լիցք։
Q = I t = (2 Ամպեր)(8 վայրկյան) = 16 Կուլոն։

Մեկ էլեկտրոնի լիցքը 1,6 x 10 ^-19 կուլոն է, ուստի 16 կուլոն լիցքն ունի նույնքան էլեկտրոն, որքան 16 C / 1,6 x 10 ^-19 կուլոն = 10 x 10 ¹⁹ էլեկտրոն։

Էլեկտրական հոսանք, դրեյֆի արագություն և հոսանքի խտություն

Դիտարկենք դրական լիցքը, որը A լայնական հատույթի մակերես ունեցող հաղորդչի մեջ շարժվում է դեպի աջ՝ v շեղման արագությամբ՝ E էլեկտրական դաշտի ուղղությամբ։ Դրական լիցքը t ժամանակահատվածում տեղաշարժվում է s = vt հեռավորություն։

Եթե ​​լիցքավորված մասնիկների քանակը մեկ ծավալում (լիցքավորված մասնիկների խտությունը) n է, իսկ հաղորդչի ծավալը՝ A s = A vt, ապա հաղորդչի ծավալում լիցքավորված մասնիկների քանակը n A v t է։ Եթե յուրաքանչյուր լիցքավորված մասնիկ ունի q լիցք, ապա t ժամանակահատվածում հաղորդչի ծայրով անցնող լիցքի քանակը Q = nq A v t է։ Այսպիսով, հաղորդչի ծայրով հոսող էլեկտրական հոսանքը I = Q/t = nq A v է։ Մինչդեռ հոսանքի խտությունը կամ հոսանքը մեկ հատույթի վրա A է J = I/A = nq v։ Կարելի է եզրակացնել, որ հաղորդչում հոսող հոսանքը լիցքավորված մասնիկների խտության (n), յուրաքանչյուր մասնիկի լիցքի մեծության (q), հաղորդչի հատույթի մակերեսի (A) և լիցքավորված մասնիկների դրեյֆի արագության (v) բազմապատկման արդյունքն է։

Ուսումնասիրեք հետևյալ օրինակային խնդիրը՝ հասկանալու համար յուրաքանչյուր լիցքավորված մասնիկի արագության և բոլոր լիցքավորված մասնիկների դրեյֆի արագության միջև եղած տարբերությունը։

Օրինակ հարց 2:

3 x 10 լայնական հատվածքի մակերեսով պղնձե մետաղալարով հոսում է 10 Ամպերի հաստատուն հոսանք^-6 m²Ազատ էլեկտրոնի խտությունը 8,4 x 10 է²⁸ էլեկտրոններ/մ³Որոշեք ազատ էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունը։
Քննարկում
Հայտնի է, որ՝
Էլեկտրական հոսանք (I) = 10 Ամպեր
Լարի լայնական հատույթի մակերեսը (A) = 3 x 10^-6 m²
Ազատ էլեկտրոնի խտությունը (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Էլեկտրոնի լիցքը (q) = 1,6 x 10^{19 -} C
Հարցրեց. Ազատ էլեկտրոնի դրեյֆի արագություն (v)
Պատասխան՝
Էլեկտրոնների արագությունը հաշվարկվում է նախկինում ստացված բանաձևով.

Նկարագրություն՝ I = էլեկտրական հոսանք, n = լիցքավորված մասնիկների խտություն = ազատ էլեկտրոնների խտություն, q = մեկ էլեկտրոնի լիցք, A = հաղորդչի լայնական հատույթի մակերես, v = էլեկտրոնի տեղաշարժի արագություն

Էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունը 0,248 x 10 ^-3 մետր/վայրկյան = 0,248 միլիմետր/վայրկյան է։

Ազատ էլեկտրոնները միասին շարժվում են լարի մեջ վայրկյանում 0,248 միլիմետր արագությամբ։ Այլ կերպ ասած, յուրաքանչյուր վայրկյան բոլոր ազատ էլեկտրոնները շարժվում են 0,248 միլիմետր։ Սա շատ դանդաղ արագություն է։ Եթե ազատ էլեկտրոնների շարժումն այդքան դանդաղ է, ինչո՞ւ է էլեկտրական լամպը անմիջապես միանում անջատիչը միացնելուց հետո։

Սա հասկանալու համար դիտարկենք էլեկտրոնների հոսքը հաղորդչի մեջ որպես ջրի հոսք ջրխողովակում։ Եթե ջրխողովակը լցված է ջրով, ապա եթե ջրխողովակի մի ծայրը միացված է ծորակին, ջուրը անմիջապես կհոսի մյուս ծայրից։ Նմանապես, պղնձե լարում և լամպի լարում կան ազատ էլեկտրոններ։ Երբ անջատիչը միացված է, առաջանում է լույսի արագությանը մոտ արագությամբ էլեկտրական դաշտ (լույսի արագություն = 3 x 108 ^մետր /վայրկյան), ինչը ստիպում է ազատ էլեկտրոններին անմիջապես սկսել միասին շարժվել։ Լամպի լարում արդեն կան ազատ էլեկտրոններ, ուստի լամպը անմիջապես միանում է։