Էլեկտրական հոսանք

Էլեկտրական հոսանքի սահմանումը

Պղնձի նման հաղորդիչում կան էլեկտրոններ, որոնք ազատորեն շարժվում են մեծ արագությամբ, բայց չեն դուրս գալիս մետաղից։ Ազատ շարժվող էլեկտրոնները կոչվում են ազատ էլեկտրոններ։ Չնայած էլեկտրոնները ազատորեն շարժվում են բոլոր ուղղություններով, որոշակի ուղղությամբ էլեկտրոնների լրիվ 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, որի արդյունքում պղնձե լարի ներսում առաջանում է էլեկտրական դաշտ։ Էլեկտրական դաշտի առկայությունը ազատ էլեկտրոններին ստիպում է զգալ F = q E = e E էլեկտրական ուժը, որտեղ F = էլեկտրական ուժ , e = էլեկտրոնային լիցք, E = էլեկտրական դաշտ : Այս էլեկտրական ուժը ստիպում է բոլոր ազատ շարժվող էլեկտրոններին միասին արագանալ, ինչը նույն ուղղությունն է, ինչ էլեկտրական ուժը։

Ազատ էլեկտրոնները, որոնք միասին շարժվում են, գտնվում են պղնձե մետաղալարում մնացած ատոմների միջև, այնպես որ բոլոր էլեկտրոնները բախվում են ատոմների հետ։ Բախումը փոխում է ազատ էլեկտրոնների ուղղությունը։ Այս բոլոր էլեկտրոնները միշտ ենթարկվում են էլեկտրական ուժի, այնպես որ բոլոր էլեկտրոնները արագանում են էլեկտրական ուժի ուղղության հետ նույն ուղղությամբ։ Մի պահ շարժվելուց հետո ազատ էլեկտրոնները բախվում են պղնձե մետաղալարի ատոմների հետ։ Սակայն ազատ էլեկտրոնները միշտ ենթարկվում են էլեկտրական ուժի, այնպես որ բոլոր էլեկտրոնները կրկին արագանում են։ Այսպիսով, տարբեր ուղղություններով պատահականորեն շարժվելուց բացի, բոլոր ազատ էլեկտրոնները նաև դանդաղորեն միասին շարժվում են 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 էլեկտրոններով շարժումը էլեկտրական ուժի ուղղությամբ ունի շատ դանդաղ արագություն։ Ազատ էլեկտրոններով այս շարժումը էլեկտրական ուժի ուղղությամբ կոչվում է նաև դրեյֆի արագություն ։

Էլեկտրական հոսանքը սահմանվում է որպես էլեկտրական լիցքի հոսք հաղորդչի լայնական հատույթով որոշակի ժամանակահատվածում: Համաձայն համաձայնագրի՝ էլեկտրական հոսանքի ուղղությունը նույնն է, ինչ դրական լիցքի ուղղությունը: Այս համաձայնագիրը կնքվել է նախքան հայտնի դառնալը, որ հաղորդչի մեջ իրականում շարժվում են բացասական լիցքավորված ազատ էլեկտրոնները: Հաղորդչի մեջ էլեկտրոնների շարժման ուղղությունը հակառակ է էլեկտրական հոսանքի ուղղությանը: Այսպիսով, եթե քննարկենք հաղորդչի մեջ հոսող հոսանքը, նկատի ունենք դրական լիցքի հոսք, որը նաև կոչվում է ավանդական հոսանք, քանի որ այն համաձայնագրի արդյունք է:

Էլեկտրական հոսանքի հավասարումը

Մաթեմատիկորեն, էլեկտրական հոսանքը արտահայտվում է հավասարմամբ.

I = ΔQ / Δt

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 հոսանքները արտահայտվում են նաև միլիամպերներով (1 մԱ = 10-3 ^Ա ), միկրոամպերներով (1 μԱ = ^10-6 Ա), նանոմամպերներով (1 նԱ = 10-9 Ա) կամ պիկոամպերներով (1 պԱ = 10-12 ^Ա )։

Նմուշային խնդիր 1:

2 ամպեր հոսանք է անցնում լարի միջով 8 վայրկյանի ընթացքում։ Որոշեք կետով անցնող լիցքի քանակը և այդ լիցքում էլեկտրոնների քանակը։

Հայտնի է:

Էլեկտրական հոսանք (I) = 1 Ամպեր

Ժամանակային միջակայք (t) = 2 վայրկյան

Ցանկալի է՝ լիցք (Q) և էլեկտրոնների քանակ (e)

Լուծում

Էլեկտրական հոսանքի հավասարում.

I = Q/t

I = էլեկտրական հոսանք, Q = էլեկտրական լիցք, t = ժամանակային միջակայք

Էլեկտրական լիցք։

Q = I t = (2 Ամպեր)(8 վայրկյան) = 16 C:

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, շեղման արագություն և հոսանքի խտություն

Վերանայեք դրական լիցքը, որը շարժվում է աջ արագությամբ՝ շեղվելով v-ն էլեկտրական դաշտի E ուղղությամբ։

A լայնական հատույթի մակերես ունեցող հաղորդչի վրա։ Դրական լիցքը t ժամանակահատվածում շարժվում է մինչև s = vt։

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 միջակայքում 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 հատույթի մակերեսի վրա A է J = I / A = nq v։

Կարելի է եզրակացնել, որ հաղորդիչում հոսող հոսանքը լիցքավորված մասնիկների խտության (n) բազմապատկման արտադրյալն է,

յուրաքանչյուր մասնիկի լիցքի քանակը (q), հաղորդչի մակերեսը (A) և լիցքավորված մասնիկների արագությունը (v):

Ուսումնասիրեք հետևյալ օրինակելի հարցերը։

Նմուշային խնդիր 2:

^{3 x 10-6} մ ² լայնական հատույթի մակերեսով պղնձե մետաղալարով հոսում է 10 ամպեր հաստատուն հոսանք ։ Ազատ էլեկտրոնների խտությունը 8.4 x 10 ²⁸ էլեկտրոն/մ ³ է ։ Որոշեք ազատ էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունը։

Հայտնի է:

Էլեկտրական հոսանք (I) = 10 Ամպեր

Լարի լայնական հատույթի մակերեսը (A) = 3 x 10 ^-6 մ ²

Ազատ էլեկտրոնի խտությունը (n) = 8.4 x 10 ²⁸ մ ^-3

Էլեկտրոնի լիցքը (q) = 1.6 x 10 ^-19 C

Ցանկալի է՝ ազատ էլեկտրոնների դրեյֆի արագություն (v)

Լուծում

Էլեկտրոնների արագությունը հաշվարկվում է նախկինում ստացված բանաձևով.

I = էլեկտրական հոսանք, n = լիցքավորված մասնիկների խտություն = էլեկտրոնային խտություն, q = մեկ էլեկտրոնային լիցք, A = հաղորդչի լայնական հատույթի մակերես, v = էլեկտրոնային դրեյֆի արագություն

Էլեկտրոնների դրիֆտի 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 մինչև 0.248 միլիմետր։ Սա շատ դանդաղ արագություն է։ Եթե ազատ էլեկտրոնների շարժումը շատ դանդաղ է, ինչո՞ւ է էլեկտրական լույսը անմիջապես միանում անջատիչը միացնելուց հետո։

Սա հասկանալու համար, էլեկտրոնները հոսում են հաղորդչի մեջ, ինչպես ջրի հոսքը ջրխողովակի ներսում։ Եթե ջրխողովակը լցված է ջրով, ապա եթե ջրխողովակի մի ծայրը միացված է ծորակին, ջուրը անմիջապես դուրս է հոսում մյուս ջրխողովակի մի 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 10 ⁸ մետր/վայրկյան), ինչը ստիպում է ազատ էլեկտրոններին այդ պահին սկսել միասին շարժվել։ Լամպի լարում արդեն կան ազատ էլեկտրոններ, ուստի լույսը վառվում է հենց այդ պահին։

Խնդիրներ և լուծումներ

1. 2 րոպե լարի մեջ գոյություն ունի 10 Ա հաստատուն հոսանք։ Լիցքի որ մասն է անցնում հաղորդչի միջով ցանկացած դիրքում։

Հայտնի է.

Էլեկտրական հոսանք (I) = 10 Ա

Ժամանակային միջակայք (t) = 2 րոպե = 2 x 60 վայրկյան = 120 վայրկյան

Փնտրվում է. Լիցքավորում (Q)

Լուծում.

Էլեկտրական հոսանքի հավասարումը.

I = q/t

I = էլեկտրական հոսանքը, q = էլեկտրական լիցքը, t = ժամանակային միջակայքը

Էլեկտրական լիցք՝

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

2. 60 C լիցք անցնում է շղթայի որևէ կետով 5 րոպեի ընթացքում։ Որքա՞ն է էլեկտրական հոսանքը։

Հայտնի է.

Ժամանակային միջակայքը (t) = 5 րոպե = 5 x 60 վայրկյան = 300 վայրկյան

Էլեկտրական լիցքը (Q) = 60 C

Պահանջվում է։ Էլեկտրական հոսանք (I)

Լուծում.

Էլեկտրական հոսանքը.

I = Q/t

Ես = 60 / 300

I = 0.2 կուլոն/վայրկյան

I = 0.2 Ամպեր

3. ՄՀ համակարգում էլեկտրական հոսանքի չափման միավորը… է

լուծում

Կուլոն/վայրկյան

Կուլոն/վայրկյան, որը ստացել է հատուկ անուն՝ Ամպեր։