Rafstraumur

Skilgreining á rafstraumi

Í leiðara eins og kopar eru rafeindir sem hreyfast af handahófi á miklum hraða frjálslega en sleppa ekki frá málminum. Rafeindir sem geta hreyfst frjálslega eru kallaðar frjálsar rafeindir. Þó að rafeindirnar hreyfist frjálslega í allar áttir er enginn heildarflæði rafeinda í 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, þannig að rafsvið myndast innan í koparvírnum. Tilvist rafsviðs veldur því að frjálsar rafeindir upplifa rafkraftinn F = q E = e E, þar sem F = rafkrafturinn , e = hleðsla rafeindanna, E = rafsviðið . Þessi rafkraftur veldur því að allar rafeindir sem hreyfast frjálsar hraða sér saman, sem er í sömu átt og rafkrafturinn.

Fríar rafeindir sem hreyfast saman eru á milli atómanna sem eftir eru í koparvírnum þannig að allar rafeindir rekast á atómin. Áreksturinn veldur því að stefna frjálsra rafeindanna breytist. Allar þessar rafeindir verða alltaf fyrir rafkrafti þannig að allar rafeindir eru hraðaðar í sömu átt og stefna rafkraftsins. Eftir að hafa hreyfst í smá stund rekast frjálsar rafeindir á atóm í koparvír. En frjálsar rafeindir verða alltaf fyrir rafkrafti þannig að allar rafeindir eru hraðaðar 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 hárrar spennu. Handahófskennd hreyfing hverrar frjálsrar rafeindar er mjög hröð, en hreyfingin með frjálsum rafeindum í átt að rafkraftinum er mjög hægur. Þessi hreyfing með frjálsum rafeindum í átt að rafkraftinum er einnig kölluð rekhraði.

Rafstraumur er skilgreindur sem flæði rafhleðslu í gegnum þversnið leiðara á ákveðnu tímabili. Samkvæmt samkomulaginu er stefna rafstraumsins sú sama og stefna jákvæðu hleðslunnar. Þessi samkomulag var gert áður en vitað var að það sem í raun hreyfist í leiðara eru neikvætt hlaðnar frjálsar rafeindir. Hreyfingarstefna rafeinda í leiðaranum er gagnstæð stefnu rafstraumsins. Þannig að ef við ræðum strauminn sem rennur í leiðaranum, þá er átt við flæði jákvæðrar hleðslu, sem einnig er kallaður hefðbundinn straumur vegna þess að hann er afleiðing samkomulags.

Jafna rafstraumsins

Stærðfræðilega er rafstraumur táknaður með jöfnunni:

Ég = ΔQ / Δt

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 kallað Amper, nafn franska eðlisfræðingsins 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 táknað í Amperum, eru rafstraumar einnig táknaðir 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 vandamál 1:

Straumur upp á 2 amper fer í gegnum vírinn í 8 sekúndur. Ákvarðið magn hleðslu sem fer í gegnum punkt og fjölda rafeinda í þeirri hleðslu!

Þekkt:

Rafstraumur (I) = 1 Amper

Tímabil (t) = 2 sekúndur

Óskað er eftir: hleðsla (Q) og fjöldi rafeinda (e)

lausn:

Jafna rafstraums:

Ég = Q/t

I = rafstraumur, Q = rafhleðsla, t = tímabil

Rafmagnshleðsla:

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

Hleðsla einnar rafeindar er 1.6 x 10⁻⁶ ^Coulomb , þannig að hleðsla 16 Coulomb hefur jafn margar rafeindir og 16 C / 1.6 x 10⁻⁶ ^Coulomb = 10 x ^10⁻⁶ rafeindir.

Rafstraumur, rekhraði og straumþéttleiki

Skoðið jákvæðu hleðsluna sem hreyfist með hraðanum v til hægri í átt að rafsviðinu E.

á leiðara sem hefur þversniðsflatarmál A. Jákvæð hleðsla færist allt að 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 oddi leiðarans I = Q / t = nq A v. En straumþéttleikinn eða straumurinn á þversniðsflatarmál A er J = I / A = nq v.

Hægt er að álykta að straumurinn sem rennur í leiðaranum sé margfeldi margföldunar á eðlisþyngd hlaðinna agna (n),

magn hleðslu fyrir hverja agn (q), flatarmál leiðarans (A) og hraði hlaðinna agna (v).

Skoðið eftirfarandi dæmisspurningar.

Dæmi um vandamál 2:

^{Stöðugur straumur, 10 amperar ,} rennur í gegnum koparvír með þversniðsflatarmálið 3 x 10⁻⁶ ^m² . Þéttleiki frjálsra rafeinda er 8.4 x ^10⁶²8 rafeindir/m³ ^. Ákvarðið hraða reks frjálsra rafeinda!

Þekkt:

Rafstraumur (I) = 10 Amper

Þversniðsflatarmál vírsins (A) = 3 ^{x 10⁻⁶} m²

Þéttleiki frjálsra rafeinda (n) = 8.4 x 10^ ²⁸ m ^-3

Hleðsla rafeinda (q) = 1.6 x ^10-19 C

Óskað er eftir: Hraði frírra rafeinda (v)

lausn:

Hraði rafeinda er reiknaður út með formúlu sem hefur verið reiknuð út áður:

I = rafstraumur, n = þéttleiki hlaðinna agna = rafeindaþéttleiki, q = hleðsla ein rafeinda, A = þversniðsflatarmál leiðara, v = hraði rafeindarekningar

Hraði rafeindahreyfingar er 0.248 x 10⁻³ ^metrar /sekúndu = 0.248 millimetrar/sekúndu.

Fríar rafeindir hreyfast saman í vír á hraða sem nemur 0.248 millimetrum á sekúndu. Með öðrum orðum, á hverri einustu sekúndu hreyfast allar fríar rafeindir allt að 0.248 millimetrum. Þetta er mjög hægur hraði. Ef hreyfing fríra rafeinda er mjög hæg, hvers vegna kviknar þá á rafmagnsljósinu strax eftir að kveikt er á rofanum?

Til að skilja þetta, þá flæða rafeindir í leiðaranum eins og vatnsrennsli inni í slöngunni. Ef slangan er fyllt af vatni, og annar endi slöngunnar er tengdur við kranann, þá rennur vatnið strax út úr hinum endanum. 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 10⁶ ^metrar /sekúndu), sem veldur því að frjálsar rafeindir byrja að hreyfast saman á þeirri stundu. Það eru þegar frjálsar rafeindir í ljósaperuvírnum þannig að ljósið er kveikt á þeirri stundu.

Vandamál og lausnir

1. Stöðugur straumur, 10 A, er í vír í 2 mínútur. Hversu stór hluti hleðslunnar fer í gegnum leiðarann ​​á hverjum stað?

Þekkt:

Rafstraumur (I) = 10 A

Tímabil (t) = 2 mínútur = 2 x 60 sekúndur = 120 sekúndur

Óskað eftir: Hleðsla (Q)

Lausn:

Jafna rafstraumsins:

Ég = q/t

I = rafstraumurinn, q = rafhleðslan, t = tímabilið

Rafhleðslan:

Q = I t = (10)(120) = 1200°C

2. 60°C af hleðslu fer framhjá punkti í rafrásinni í 5 mínútur. Hver er rafstraumurinn?

Þekkt:

Tímabilið (t) = 5 mínútur = 5 x 60 sekúndur = 300 sekúndur

Rafhleðslan (Q) = 60°C

Óskað er eftir: Rafstraumurinn (I)

Lausn:

Rafstraumurinn:

Ég = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 kúlómb/sekúndu

I = 0.2 amper

3. Eining rafstraums í SI kerfinu er…

lausn

Coulomb/sekúnda

Coulomb/sekúndur, gefið sérstakt nafn, Amper.