Rafstraumur

Skilgreining á rafstraumi

Inni í leiðara eins og kopar eru rafeindir sem hreyfast frjálslega og af handahófi á miklum hraða en sleppa ekki frá málminum. Rafeindir sem geta hreyfst frjálslega eru kallaðar frjálsar rafeindir. Þó að rafeindir hreyfist frjálslega í allar áttir er enginn nettóflæði rafeinda í neina ákveðna átt. Þetta ástand kemur upp þegar enginn spennumunur er á milli tveggja enda koparvírsins.

Þegar vírinn er tengdur við rafmagn myndast spennumunur á milli enda koparvírsins og þannig myndast rafsvið í honum. Tilvist rafsviðs veldur því að frjálsar rafeindir upplifa rafkraft F = q E = e E, þar sem F = rafkraftur, e = hleðsla rafeindarinnar, E = rafsvið . Rafkrafturinn veldur því að allar frjálsar rafeindir upplifa sameiginlega hröðun í sömu átt og rafkrafturinn.

Þessar frjálsu rafeindir, sem hreyfast saman, eru staðsettar á milli kyrrstæðra atóma í koparvírnum, sem veldur því að allar rafeindirnar rekast á þessi atóm. Þessir árekstrar valda því að frjálsu rafeindirnar breyta hreyfistefnu sinni. Allar þessar rafeindir eru stöðugt undir áhrifum rafkrafts, sem veldur því að þær hraða sér í sömu átt og rafkrafturinn. Eftir að hafa hreyfst um stund rekast frjálsu rafeindirnar aftur á atómin í koparvírnum. Hins vegar eru frjálsu rafeindirnar alltaf undir áhrifum rafkrafts, sem veldur því að allar rafeindirnar hraða sér aftur.

Þannig að auk þess að hreyfast af handahófi í ýmsar áttir, hreyfast allar frjálsar rafeindir einnig hægt saman í átt að rafkraftinum og í gagnstæða átt við rafsviðið. Stefna rafsviðsins er frá mikilli rafspennu til lágrar rafspennu, en rafeindirnar hreyfast frá lágri spennu til hárar spennu. Handahófskennd hreyfing hverrar frjálsrar rafeindar er mjög hröð, en sameiginleg hreyfing frjálsra rafeindanna í átt að rafkraftinum er mjög hægur. Þessi sameiginlega hreyfing frjálsra rafeindanna í átt að rafkraftinum er einnig kölluð rekhraði.

Rafstraumur er skilgreindur sem flæði rafhleðslu í gegnum þversnið leiðara yfir ákveðið tímabil. Samkvæmt hefð er stefna rafstraumsins sú sama og hreyfingarstefna jákvæðra hleðslna. Þessi samningur var gerður áður en vitað var að það sem í raun hreyfist í leiðara eru frjálsar, neikvætt hlaðnar rafeindir. Hreyfingarstefna rafeinda í leiðara er gagnstæð stefnu rafstraumsins. Þess vegna, þegar rætt er um straum sem flæðir í leiðara, er átt við flæði jákvæðra hleðslna, einnig þekkt sem hefðbundinn straumur vegna þess að hann er afleiðing þessarar samnings.

Formúla fyrir rafstraum

Stærðfræðilega er rafstraumur táknaður með jöfnunni:
Ég = ΔQ / Δt
Lýsing formúlu: I = rafstraumur, ΔQ = magn rafhleðslu, Δt = tímabil.

Eining rafstraums

Eining rafhleðslu er Coulomb, tímaeiningin er sekúnda, þannig að eining rafstraums er Coulomb/sekúnda. Coulomb/sekúnda er einnig kölluð Amper , nefnd eftir franska eðlisfræðingnum Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Amper = 1 Coulomb/sekúnda (1 A = 1 C/s). Með öðrum orðum, rafstraumur upp á 1 Amper er jafngildur rafhleðslu upp á 1 Coulomb sem fer í gegnum þversniðsflatarmál vírs í 1 sekúndu. Auk þess að vera táknaður í amperum er rafstraumur einnig táknaður í milliamperum (1 mA = 10⁻³ ^A ), míkróamperum (1 μA = 10⁻³ ^A ), nanóamperum (1 nA = 10⁻¹ ^A ) eða píkóamperum (1 pA = ^10⁻¹² A).

Dæmi um spurningu 1:

Straumur upp á 2 amper fer í gegnum vír í 8 sekúndur. Ákvarðið stærð hleðslunnar sem fer í gegnum punkt og fjölda rafeinda í þeirri hleðslu!
Umræða
Það er vitað að:
Rafstraumur (I) = 1 amper
Tímabil (t) = 2 sekúndur
Spurði: hleðsla (Q) og fjöldi rafeinda (e)
Svar:
Formúla fyrir rafstraum:
Ég = Q/t
Lýsing á formúlu: I = rafstraumur, Q = rafhleðsla, t = tímabil
Rafmagnshleðsla:
Q = I t = (2 amper)(8 sekúndur) = 16 kúlómb.

Hleðsla einnar rafeindar er 1,6 x 10⁻⁶ ^Coulomb , þannig að hleðsla upp á 16 Coulomb hefur jafn margar rafeindir og 16 C / 1,6 x 10⁻⁶ ^Coulomb = 10 x ^10⁻⁶ rafeindir.

Rafstraumur, rekhraði og straumþéttleiki

Ímyndum okkur jákvæða hleðslu sem færist til hægri með rekhraða v í átt að rafsviði E í leiðara með þversniðsflatarmál A. Jákvæða hleðslan færist vegalengdina s = vt á tímabilinu t.

Ef fjöldi hlaðinna agna á rúmmáli (þéttleiki hlaðinna agna) er n og rúmmál leiðarans er A s = A vt, þá er fjöldi hlaðinna agna í rúmmáli leiðarans n A v t. Ef hver hlaðin agna hefur hleðsluna q, þá er magn hleðslunnar sem fer í gegnum enda leiðarans á tímabilinu t Q = nq A v t. Þannig er rafstraumurinn sem rennur í gegnum enda leiðarans I = Q/t = nq A v. Straumþéttleikinn eða straumurinn á þversniðsflatarmál A er J = I/A = nq v. Hægt er að álykta að straumurinn sem rennur í leiðaranum sé afleiðing af margföldun þéttleika hlaðinna agna (n), stærðar hleðslu hverrar agnar (q), þversniðsflatarmáls leiðarans (A) og rekhraða hlaðinna agna (v).

Skoðið eftirfarandi dæmi til að skilja muninn á hraða hverrar hlaðinnar agnar og rekhraða allra hlaðinna agna.

Dæmi um spurningu 2:

Stöðugur straumur, 10 amper, rennur í gegnum koparvír með þversniðsflatarmál 3 x 10^-6 m²Þéttleiki frjálsra rafeinda er 8,4 x 10²⁸ rafeindir/m³Ákvarðið rekhraða frjálsra rafeinda!
Umræða
Það er vitað að:
Rafstraumur (I) = 10 amper
Þversniðsflatarmál vírsins (A) = 3 x 10^-6 m²
Þéttleiki frjálsra rafeinda (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Hleðsla rafeinda (q) = 1,6 x 10^-19 C
Spurði: Rekhraði frjálsra rafeinda (v)
Svar:
Hraði rafeinda er reiknaður út með formúlunni sem áður hefur verið útleidd:

Lýsing: I = rafstraumur, n = þéttleiki hlaðinna agna = þéttleiki frjálsra rafeinda, q = hleðsla einnar rafeindar, A = þversniðsflatarmál leiðarans, v = rekhraði rafeinda

Rekhraði rafeinda er 0,248 x 10-3 ^metrar /sekúndu = 0,248 millimetrar/sekúndu.

Fríar rafeindir hreyfast saman í vír á hraðanum 0,248 millimetrum á sekúndu. Með öðrum orðum, á hverri sekúndu hreyfast allar frjálsar rafeindir um 0,248 millimetra. Þetta er mjög hægur hraði. Ef hreyfing frjálsra rafeinda er svona hæg, hvers vegna kviknar þá á rafmagnsljósi strax eftir að kveikt er á rofanum?

Til að skilja þetta má líta á flæði rafeinda í leiðara sem flæði vatns í slöngu. Ef slangan er fyllt af vatni, þá mun vatn renna strax út um hinn endann ef annar endi slöngunnar er tengdur við krana. Á sama hátt eru frjálsar rafeindir í koparvírnum og ljósaperuvírnum. Þegar kveikt er á rofanum myndast rafsvið með hraða sem nálgast ljóshraða (ljóshraði = 3 x 108 ^metrar /sekúndu), sem veldur því að frjálsu rafeindirnar byrja strax að hreyfast saman. Það eru þegar frjálsar rafeindir í ljósaperuvírnum, þannig að ljósaperan kviknar strax.