Definizione di corrente elettrica
All'interno di un conduttore come il rame, ci sono elettroni che si muovono liberamente e in modo casuale ad alta velocità, ma non sfuggono al metallo. Gli elettroni che possono muoversi liberamente sono chiamati elettroni liberi. Sebbene gli elettroni si muovano liberamente in tutte le direzioni, non vi è alcun flusso netto di elettroni in una direzione particolare. Questa condizione si verifica quando non c'è differenza di potenziale tra le due estremità del filo di rame.
Quando il filo viene collegato a una sorgente elettrica, si crea una differenza di potenziale tra le due estremità del filo di rame, generando così un campo elettrico al suo interno. La presenza di un campo elettrico fa sì che gli elettroni liberi subiscano una forza elettrica F = q E = e E, dove F = forza elettrica, e = carica dell'elettrone, E = campo elettrico . La forza elettrica impone a tutti gli elettroni in movimento libero un'accelerazione comune nella stessa direzione della forza elettrica.
Questi elettroni liberi, muovendosi insieme, si trovano tra gli atomi stazionari del filo di rame, causando collisioni tra tutti gli elettroni e questi atomi. Tali collisioni provocano un cambiamento di direzione del moto degli elettroni liberi. Tutti questi elettroni sono costantemente soggetti a una forza elettrica, che li accelera nella stessa direzione della forza elettrica. Dopo essersi mossi per un istante, gli elettroni liberi collidono nuovamente con gli atomi del filo di rame. Tuttavia, gli elettroni liberi sono sempre soggetti a una forza elettrica, che ne provoca un'ulteriore accelerazione.
Quindi, oltre a muoversi in modo casuale in varie direzioni, tutti gli elettroni liberi si muovono anche insieme lentamente nella direzione della forza elettrica e nella direzione opposta al campo elettrico. La direzione del campo elettrico è da un potenziale elettrico più alto a uno più basso, mentre gli elettroni si muovono da un potenziale più basso a uno più alto. Il moto casuale di ciascun elettrone libero ha una velocità molto elevata, mentre il moto collettivo degli elettroni liberi nella direzione della forza elettrica ha una velocità molto bassa. Questo moto collettivo degli elettroni liberi nella direzione della forza elettrica è anche chiamato velocità di deriva.
La corrente elettrica è definita come il flusso di carica elettrica attraverso una sezione trasversale di un conduttore in un determinato intervallo di tempo. Per convenzione, la direzione della corrente elettrica coincide con la direzione del movimento delle cariche positive. Questo accordo fu stipulato prima che si sapesse che in realtà ciò che si muove in un conduttore sono elettroni liberi e carichi negativamente. La direzione del movimento degli elettroni in un conduttore è opposta alla direzione della corrente elettrica. Pertanto, quando si parla di corrente che scorre in un conduttore, ci si riferisce al flusso di cariche positive, noto anche come corrente convenzionale, poiché è il risultato di questo accordo.
Formula della corrente elettrica
Matematicamente, la corrente elettrica è espressa dall'equazione:
I = ΔQ / Δt
Descrizione della formula: I = corrente elettrica, ΔQ = quantità di carica elettrica, Δt = intervallo di tempo.
Unità di corrente elettrica
L'unità di misura della carica elettrica è il Coulomb, l'unità di misura del tempo è il secondo, quindi l'unità di misura della corrente elettrica è il Coulomb/secondo. Il Coulomb/secondo è anche chiamato Ampere , dal nome del fisico francese André-Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/secondo (1 A = 1 C/s). In altre parole, una corrente elettrica di 1 Ampere è uguale a una carica elettrica di 1 Coulomb che attraversa una sezione trasversale di un filo per 1 secondo. Oltre ad essere espressa in Ampere, la corrente elettrica è espressa anche in milliampere (1 mA = 10⁻³ A ), microampere (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoampere (1 nA = 10⁻⁹ A) o picoampere (1 pA = 10⁻¹² A ).
Esempio di domanda 1:
Una corrente di 2 Ampere scorre attraverso un filo per 8 secondi. Determina l'entità della carica che passa attraverso un punto e il numero di elettroni in quella carica!
Discussione
È noto che:
Corrente elettrica (I) = 1 Ampere
Intervallo di tempo (t) = 2 secondi
Chiesto: carica (Q) e numero di elettroni (e)
Risposta :
Formula della corrente elettrica:
I = Q/t
Descrizione della formula: I = corrente elettrica, Q = carica elettrica, t = intervallo di tempo
Carica elettrica:
Q = I t = (2 Ampere)(8 secondi) = 16 Coulomb.
La carica di un elettrone è 1,6 x 10⁻¹⁹ Coulomb , quindi una carica di 16 Coulomb ha tanti elettroni quanti sono 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x 10¹⁹ elettroni.
Corrente elettrica, velocità di deriva e densità di corrente
Consideriamo una carica positiva che si muove verso destra con velocità di deriva v nella direzione di un campo elettrico E in un conduttore di area A. La carica positiva percorre una distanza s = vt durante un intervallo di tempo t.
Se il numero di particelle cariche per unità di volume (densità di particelle cariche) è n e il volume del conduttore è A s = A vt, allora il numero di particelle cariche nel volume del conduttore è n A v t. Se ogni particella carica ha una carica q, allora la quantità di carica che attraversa l'estremità del conduttore durante l'intervallo di tempo t è Q = nq A v t. Quindi la corrente elettrica che scorre attraverso l'estremità del conduttore è I = Q/t = nq A v. Mentre la densità di corrente o corrente per unità di area della sezione trasversale A è J = I/A = nq v. Si può concludere che la corrente che scorre nel conduttore è il risultato della moltiplicazione della densità di particelle cariche (n), dell'entità della carica di ciascuna particella (q), dell'area della sezione trasversale del conduttore (A) e della velocità di deriva delle particelle cariche (v).
Esamina il seguente esempio per comprendere la differenza tra la velocità di ciascuna particella carica e la velocità di deriva di tutte le particelle cariche.
Esempio di domanda 2:
In un filo di rame con sezione trasversale di 3 x 10 scorre una corrente costante di 10 Ampere.-6 m2La densità degli elettroni liberi è 8,4 x 1028 Elettroni/m3Determina la velocità di deriva degli elettroni liberi!
Discussione
È noto che:
Corrente elettrica (I) = 10 Ampere
Area della sezione trasversale del filo (A) = 3 x 10-6 m2
Densità di elettroni liberi (n) = 8,4 x 1028 m-3
Carica dell'elettrone (q) = 1,6 x 10 all'19 ottobre C
Chiesto: Velocità di deriva degli elettroni liberi (v)
Risposta :
La velocità degli elettroni viene calcolata utilizzando la formula precedentemente derivata:
Descrizione: I = corrente elettrica, n = densità di particelle cariche = densità di elettroni liberi, q = carica di un elettrone, A = area della sezione trasversale del conduttore, v = velocità di deriva degli elettroni
La velocità di deriva degli elettroni è 0,248 x 10⁻³ metri /secondo = 0,248 millimetri/secondo.
In un filo conduttore, gli elettroni liberi si muovono insieme a una velocità di 0,248 millimetri al secondo. In altre parole, ogni secondo tutti gli elettroni liberi si spostano di 0,248 millimetri. Questa è una velocità molto bassa. Se il movimento degli elettroni liberi è così lento, perché una lampadina si accende immediatamente dopo aver azionato l'interruttore?
Per comprendere questo concetto, si pensi al flusso di elettroni in un conduttore come al flusso d'acqua in un tubo. Se il tubo è pieno d'acqua e un'estremità viene collegata a un rubinetto, l'acqua uscirà immediatamente dall'altra estremità. Allo stesso modo, ci sono elettroni liberi nel filo di rame e nel filo della lampadina. Quando si accende l'interruttore, si genera un campo elettrico con una velocità prossima a quella della luce (velocità della luce = 3 x 10⁸ metri /secondo), che fa sì che gli elettroni liberi inizino immediatamente a muoversi insieme. Nel filo della lampadina sono già presenti elettroni liberi, quindi la lampadina si accende immediatamente.
