Definizione di corrente elettrica
In un conduttore come il rame, ci sono elettroni che si muovono liberamente e ad alta velocità in modo casuale, 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 un flusso totale 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. L'esistenza 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 . Questa forza elettrica fa sì che tutti gli elettroni che si muovono liberamente accelerino insieme, nella stessa direzione della forza elettrica.
Gli elettroni liberi che si muovono insieme si trovano tra gli atomi che rimangono nel filo di rame, in modo che tutti gli elettroni collidano con gli atomi. La collisione provoca un cambiamento di direzione degli elettroni liberi. Tutti questi elettroni subiscono sempre una forza elettrica, quindi vengono tutti accelerati nella stessa direzione della forza elettrica. Dopo essersi mossi per un istante, gli elettroni liberi collidono con gli atomi nel filo di rame. Ma gli elettroni liberi subiscono sempre una forza elettrica che li accelera nuovamente. Quindi, oltre a muoversi casualmente in varie direzioni, tutti gli elettroni liberi si muovono anche lentamente insieme nella direzione della forza elettrica e in direzione opposta al campo elettrico. La direzione del campo elettrico è da un potenziale elettrico alto a un potenziale elettrico basso, mentre gli elettroni si muovono da un potenziale basso a un potenziale alto. Il moto casuale di ciascun elettrone libero ha una velocità molto elevata, mentre il moto degli elettroni liberi nella direzione della forza elettrica ha una velocità molto bassa. Questo moto 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 durante un determinato intervallo di tempo. Secondo la convenzione, la direzione della corrente elettrica coincide con la direzione della carica positiva. Questa convenzione fu stipulata prima che si sapesse che ciò che effettivamente si muove in un conduttore sono gli elettroni liberi, carichi negativamente. La direzione del movimento degli elettroni nel 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 carica positiva, detta anche corrente convenzionale, in quanto risultato di una convenzione.
L'equazione della corrente elettrica
Matematicamente, la corrente elettrica è espressa dall'equazione:
I = Δ Q / Δt
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 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 del 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 problema 1:
Una corrente di 2 Ampere scorre attraverso il filo per 8 secondi. Determina la quantità di carica che passa attraverso un punto e il numero di elettroni in quella carica!
Conosciuto:
Corrente elettrica (I) = 1 Ampere
Intervallo di tempo (t) = 2 secondi
Si cercano: carica (Q) e numero di elettroni (e)
Soluzione:
Equazione della corrente elettrica:
I = Q/t
I = corrente elettrica, Q = carica elettrica, t = intervallo di tempo
Carica elettrica:
Q = I t = (2 Ampere)(8 secondi) = 16 C.
La carica di un elettrone è 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb , quindi una carica di 16 Coulomb corrisponde a un numero di elettroni pari a 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x 10¹⁹ elettroni.
Corrente elettrica, velocità di deriva e densità di corrente
Esamina la carica positiva che si muove verso destra con velocità v nella direzione del campo elettrico E
su un conduttore avente un'area della sezione trasversale A. Una carica positiva si sposta fino a una distanza s = vt durante l'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,
Il numero di particelle cariche nel volume del conduttore è n A v t. Se ogni particella carica ha una carica q, la quantità di carica che attraversa l'estremità del conduttore durante l'intervallo t è Q = nq A v t. Pertanto, la corrente elettrica che scorre attraverso la punta 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 prodotto della moltiplicazione della densità delle particelle cariche (n),
la quantità di carica per ciascuna particella (q), l'area del conduttore (A) e la velocità delle particelle cariche (v).
Esamina le seguenti domande di esempio.
Esempio di problema 2:
In un filo di rame con una sezione trasversale di 3 x 10⁻⁶ m² scorre una corrente costante di 10 ampere . La densità degli elettroni liberi è di 8.4 x 10²⁸ elettroni/m³ . Determinare la velocità di deriva degli elettroni liberi!
Conosciuto:
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 10⁻¹⁹ C
Ricerca: Velocità di deriva degli elettroni liberi (v)
Soluzione:
La velocità degli elettroni viene calcolata utilizzando una formula che è stata ricavata in precedenza:
I = corrente elettrica, n = densità di particelle cariche = densità elettronica, 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 la lampadina si accende immediatamente dopo aver azionato l'interruttore?
Per comprendere questo fenomeno, si pensi al flusso degli elettroni nel conduttore come quello dell'acqua in un tubo. Se il tubo è pieno d'acqua e un'estremità viene collegata al rubinetto, l'acqua fuoriesce 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 a muoversi insieme in quel preciso istante. Nel filo della lampadina sono già presenti elettroni liberi, per cui la luce è accesa in quel preciso istante.
Problemi e soluzioni
1. Una corrente costante di 10 A scorre in un filo per 2 minuti. Quanta carica passa attraverso il conduttore in un punto qualsiasi?
Conosciuto :
Corrente elettrica (I) = 10 A
Intervallo di tempo (t) = 2 minuti = 2 x 60 secondi = 120 secondi
Ricercato: Accusa (Q)
soluzione:
Equazione della corrente elettrica:
I = q/t
I = corrente elettrica, q = carica elettrica, t = intervallo di tempo
La carica elettrica:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Una carica di 60 C attraversa un punto del circuito per 5 minuti. Qual è l'intensità della corrente elettrica?
Conosciuto :
L'intervallo di tempo (t) = 5 minuti = 5 x 60 secondi = 300 secondi
La carica elettrica (Q) = 60 C
Ricercato: La corrente elettrica (I)
soluzione:
La corrente elettrica:
I = Q/t
Io = 60 / 300
I = 0.2 Coulomb/secondo
I = 0.2 Ampere
3. L'unità di misura della corrente elettrica nel sistema SI è…
Soluzione
Coulomb/secondo
Coulomb/secondo, a cui è stato dato un nome speciale, l'Ampere.
