ელექტრო დენი

ელექტრული დენის განმარტება

სპილენძის მსგავს გამტარში არის ელექტრონები, რომლებიც თავისუფლად და შემთხვევით მოძრაობენ მაღალი სიჩქარით, მაგრამ არ გამოდიან ლითონისგან. ელექტრონებს, რომლებსაც შეუძლიათ თავისუფლად გადაადგილება, თავისუფალი ელექტრონები ეწოდებათ. მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრონები თავისუფლად მოძრაობენ ყველა მიმართულებით, არცერთი კონკრეტული მიმართულებით ელექტრონების წმინდა ნაკადი არ ხდება. ეს მდგომარეობა მაშინ ხდება, როდესაც სპილენძის მავთულის ორ ბოლოს შორის პოტენციური სხვაობა არ არის.

როდესაც მავთული ელექტროენერგიის წყაროსთან არის დაკავშირებული, სპილენძის მავთულის ორ ბოლოს შორის წარმოიქმნება პოტენციური სხვაობა, რაც სპილენძის მავთულში ელექტრულ ველს ქმნის. ელექტრული ველის არსებობა თავისუფალ ელექტრონებზე ელექტრული ძალის F = q E = e E ზემოქმედებას იწვევს , სადაც F = ელექტრული ძალა, e = ელექტრონული მუხტი, E = ელექტრული ველი . ელექტრული ძალა ყველა თავისუფლად მოძრავ ელექტრონს ელექტრული ძალის მიმართულებით საერთო აჩქარების განცდას იწვევს.

ეს თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც ერთად მოძრაობენ, განლაგებულია სპილენძის მავთულში არსებულ უძრავ ატომებს შორის, რაც იწვევს ყველა ელექტრონის შეჯახებას ამ ატომებთან. ეს შეჯახებები იწვევს თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობის მიმართულების შეცვლას. ყველა ეს ელექტრონი მუდმივად ექვემდებარება ელექტრულ ძალას, რაც იწვევს მათ აჩქარებას ელექტრული ძალის მიმართულებით. ერთი წამით გადაადგილების შემდეგ, თავისუფალი ელექტრონები კვლავ ეჯახებიან სპილენძის მავთულში არსებულ ატომებს. თუმცა, თავისუფალი ელექტრონები ყოველთვის ექვემდებარება ელექტრულ ძალას, რაც იწვევს ყველა ელექტრონის ხელახლა აჩქარებას.

ამგვარად, სხვადასხვა მიმართულებით შემთხვევითი მოძრაობის გარდა, ყველა თავისუფალი ელექტრონი ასევე ნელა მოძრაობს ელექტრული ძალის მიმართულებით და ელექტრული ველის საპირისპირო მიმართულებით. ელექტრული ველის მიმართულებაა მაღალი ელექტრული პოტენციალიდან დაბალ ელექტრულ პოტენციალამდე, ხოლო ელექტრონები დაბალი პოტენციალიდან მაღალ პოტენციალამდე. თითოეული თავისუფალი ელექტრონის შემთხვევითი მოძრაობა ძალიან სწრაფი სიჩქარით მიმდინარეობს, ხოლო თავისუფალი ელექტრონების კოლექტიური მოძრაობა ელექტრული ძალის მიმართულებით ძალიან ნელი სიჩქარით მიმდინარეობს. თავისუფალი ელექტრონების ამ კოლექტიურ მოძრაობას ელექტრული ძალის მიმართულებით ასევე დრიფტის სიჩქარე ეწოდება.

ელექტრული დენი განისაზღვრება, როგორც ელექტრული მუხტის დინება გამტარის განივკვეთში გარკვეული დროის ინტერვალის განმავლობაში. კონვენციის თანახმად, ელექტრული დენის მიმართულება იგივეა, რაც დადებითი მუხტების მოძრაობის მიმართულება. ეს შეთანხმება მიღწეული იქნა მანამ, სანამ ცნობილი გახდებოდა, რომ გამტარში რეალურად მოძრაობენ თავისუფალი, უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები. გამტარში ელექტრონების მოძრაობის მიმართულება ელექტრული დენის მიმართულების საპირისპიროა. ამიტომ, გამტარში მიმდინარე დენის განხილვისას, იგულისხმება დადებითი მუხტების დინება, რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც ჩვეულებრივი დენი, რადგან ის ამ შეთანხმების შედეგია.

ელექტრული დენის ფორმულა

მათემატიკურად, ელექტრული დენი გამოისახება განტოლებით:
I = ΔQ / Δt
ფორმულის აღწერა: I = ელექტრული დენი, ΔQ = ელექტრული მუხტის რაოდენობა, Δt = დროის ინტერვალი.

ელექტრული დენის ერთეული

ელექტრული მუხტის ერთეულია კულონი, დროის ერთეული - წამი, ამიტომ ელექტრული დენის ერთეულია კულონი/წამი. კულონი/წამს ასევე ამპერს უწოდებენ , რომელსაც სახელი ფრანგი ფიზიკოსის, ანდრე მარი ამპერის (1775-1836) პატივსაცემად დაერქვა. 1 ამპერი = 1 კულონი/წამი (1 ა = 1 ც/წმ). სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, 1 ამპერის ელექტრული დენი უდრის 1 კულონის ელექტრულ მუხტს, რომელიც მავთულის განივი კვეთის ფართობს 1 წამის განმავლობაში გადის. ამპერებში გამოსახვის გარდა, ელექტრული დენი ასევე გამოისახება მილიამპერებში (1 მA = 10-3 ^ა ), მიკროამპერებში (1 μA = 10-6 ^ა ), ნანოამპერებში (1 ნA = 10-9 ^ა ) ან პიკოამპერებში (1 პA = ^10-12 ა).

მაგალითი კითხვა 1:

2 ამპერის დენი 8 წამის განმავლობაში გადის მავთულში. განსაზღვრეთ წერტილში გამავალი მუხტის სიდიდე და ამ მუხტში ელექტრონების რაოდენობა!
დისკუსია
ცნობილია, რომ:
ელექტრული დენი (I) = 1 ამპერი
დროის ინტერვალი (t) = 2 წამი
ჰკითხა: მუხტი (Q) და ელექტრონების რაოდენობა (e)
პასუხი:
ელექტრული დენის ფორმულა:
I = Q/t
ფორმულის აღწერა: I = ელექტრული დენი, Q = ელექტრული მუხტი, t = დროის ინტერვალი
ელექტრული მუხტი:
Q = I t = (2 ამპერი)(8 წამი) = 16 კულონი.

ერთი ელექტრონის მუხტია 1,6 x 10 ^-19 კულონი, ამიტომ 16 კულონის მუხტს იმდენივე ელექტრონი აქვს, რამდენიც 16 C / 1,6 x 10 ^-19 კულონი = 10 x 10 ¹⁹ ელექტრონი.

ელექტრული დენი, დრიფტის სიჩქარე და დენის სიმკვრივე

განვიხილოთ დადებითი მუხტი, რომელიც მარჯვნივ მოძრაობს ელექტრული ველის E მიმართულებით v დრიფტის სიჩქარით გამტარში, რომლის განივკვეთის ფართობია A. დადებითი მუხტი დროის t ინტერვალში მოძრაობს s = vt მანძილზე.

თუ დამუხტული ნაწილაკების რაოდენობა მოცულობაში (დამუხტული ნაწილაკების სიმკვრივე) არის n და გამტარის მოცულობაა A s = A vt, მაშინ დამუხტული ნაწილაკების რაოდენობა გამტარის მოცულობაში არის n A v t. თუ თითოეულ დამუხტულ ნაწილაკს აქვს q მუხტი, მაშინ მუხტის რაოდენობა, რომელიც გადის გამტარის ბოლოში დროის ინტერვალში t, არის Q = nq A v t. ამრიგად, გამტარის ბოლოში გამავალი ელექტრული დენი არის I = Q/t = nq A v. ხოლო დენის სიმკვრივე ანუ დენი განივი კვეთის ფართობზე A არის J = I/A = nq v. შეიძლება დავასკვნათ, რომ გამტარში გამავალი დენი არის დამუხტული ნაწილაკების სიმკვრივის (n), თითოეული ნაწილაკის მუხტის სიდიდის (q), გამტარის განივი კვეთის ფართობის (A) და დამუხტული ნაწილაკების დრიფტის სიჩქარის (v) გამრავლების შედეგი.

შეისწავლეთ შემდეგი მაგალითი, რათა გაიგოთ განსხვავება თითოეული დამუხტული ნაწილაკის სიჩქარესა და ყველა დამუხტული ნაწილაკის დრიფტის სიჩქარეს შორის.

მაგალითი კითხვა 2:

10 ამპერის მუდმივი დენი მიედინება სპილენძის მავთულში, რომლის განივი ფართობია 3 x 10^-6 m²თავისუფალი ელექტრონის სიმკვრივეა 8,4 x 10²⁸ ელექტრონები/მ³განსაზღვრეთ თავისუფალი ელექტრონების დრიფტის სიჩქარე!
დისკუსია
ცნობილია, რომ:
ელექტრული დენი (I) = 10 ამპერი
მავთულის განივი კვეთის ფართობი (A) = 3 x 10^-6 m²
თავისუფალი ელექტრონის სიმკვრივე (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
ელექტრონის მუხტი (q) = 1,6 x 10^-19 C
ჰკითხა: თავისუფალი ელექტრონის დრიფტის სიჩქარე (v)
პასუხი:
ელექტრონების სიჩქარე გამოითვლება ადრე მიღებული ფორმულის გამოყენებით:

აღწერა: I = ელექტრული დენი, n = დამუხტული ნაწილაკების სიმკვრივე = თავისუფალი ელექტრონების სიმკვრივე, q = ერთი ელექტრონის მუხტი, A = გამტარის განივი ფართობი, v = ელექტრონების დრიფტის სიჩქარე

ელექტრონების დრიფტის სიჩქარეა 0,248 x 10 ^-3 მეტრი წამში = 0,248 მილიმეტრი წამში.

თავისუფალი ელექტრონები მავთულში ერთად მოძრაობენ წამში 0,248 მილიმეტრის სიჩქარით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყოველ წამს ყველა თავისუფალი ელექტრონი 0,248 მილიმეტრით მოძრაობს. ეს ძალიან დაბალი სიჩქარეა. თუ თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობა ასეთი ნელია, რატომ ინთება ელექტრონათურა ჩამრთველის ჩართვის შემდეგ?

ამის გასაგებად, გამტარში ელექტრონების ნაკადი განვიხილოთ, როგორც შლანგში წყლის ნაკადი. თუ შლანგი წყლით არის სავსე, მაშინ თუ შლანგის ერთი ბოლო ონკანს უკავშირდება, წყალი მაშინვე გადმოედინება მეორე ბოლოდან. ანალოგიურად, სპილენძის მავთულსა და ნათურის მავთულშია თავისუფალი ელექტრონები. როდესაც ჩამრთველი ჩართულია, წარმოიქმნება ელექტრული ველი, რომლის სიჩქარე სინათლის სიჩქარეს უახლოვდება (სინათლის სიჩქარე = 3 x 108 ^{მეტრი} /წამი), რაც იწვევს თავისუფალი ელექტრონების დაუყოვნებლივ ერთად მოძრაობას. ნათურის მავთულში უკვე არის თავისუფალი ელექტრონები, ამიტომ ნათურა მაშინვე ინთება.