Электр тогы

Электр тогының анықтамасы

Мыс сияқты өткізгіштің ішінде жоғары жылдамдықпен еркін және кездейсоқ қозғалатын, бірақ металдан шықпайтын электрондар бар. Еркін қозғала алатын электрондар еркін электрондар деп аталады. Электрондар барлық бағытта еркін қозғалса да, белгілі бір бағытта электрондардың таза ағыны болмайды. Бұл жағдай мыс сымның екі ұшы арасында потенциалдар айырмашылығы болмаған кезде пайда болады.

Сым электр көзіне қосылған кезде, мыс сымның екі ұшы арасында потенциалдар айырымы пайда болады, осылайша мыс сымында электр өрісі пайда болады. Электр өрісінің болуы бос электрондардың F = q E = e E электр күшін сезінуіне әкеледі , мұндағы F = электр күші, e = электрон заряды, E = электр өрісі . Электр күші барлық еркін қозғалатын электрондардың электр күшімен бір бағытта ортақ үдеу сезінуіне әкеледі.

Бұл бос электрондар бірге қозғалып, мыс сымындағы қозғалмайтын атомдар арасында орналасады, бұл барлық электрондардың осы атомдармен соқтығысуына әкеледі. Бұл соқтығысулар бос электрондардың қозғалыс бағытын өзгертуіне әкеледі. Барлық осы электрондар үнемі электр күшіне ұшырайды, бұл олардың электр күшімен бір бағытта үдеуіне әкеледі. Бір сәтке қозғалғаннан кейін, бос электрондар мыс сымындағы атомдармен қайтадан соқтығысады. Дегенмен, бос электрондар әрқашан электр күшіне ұшырайды, бұл барлық электрондардың қайтадан үдеуіне әкеледі.

Сонымен, әртүрлі бағытта кездейсоқ қозғалумен қатар, барлық бос электрондар электр күшінің бағыты бойынша және электр өрісінің қарама-қарсы бағытында баяу қозғалады. Электр өрісінің бағыты жоғары электрлік потенциалдан төмен электрлік потенциалға қарай, ал электрондар төмен потенциалдан жоғары потенциалға қарай қозғалады. Әрбір бос электронның кездейсоқ қозғалысы өте жылдам жылдамдыққа ие, ал бос электрондардың электр күшінің бағыты бойынша ұжымдық қозғалысы өте баяу жылдамдыққа ие. Электр күшінің бағыты бойынша бос электрондардың бұл ұжымдық қозғалысы дрейф жылдамдығы деп те аталады.

Электр тогы белгілі бір уақыт аралығында өткізгіштің көлденең қимасы арқылы электр зарядының ағымы ретінде анықталады . Шартты түрде, электр тогының бағыты оң зарядтардың қозғалыс бағытымен бірдей. Бұл келісім өткізгіште іс жүзінде қозғалатын нәрсе бос, теріс зарядталған электрондар екені белгілі болғанға дейін жасалған. Өткізгіштегі электрондардың қозғалыс бағыты электр тогының бағытына қарама-қарсы. Сондықтан, өткізгіште ағып жатқан ток туралы айтқан кезде, бұл келісімнің нәтижесі болғандықтан, дәстүрлі ток деп те аталатын оң зарядтардың ағымы туралы айтылады.

Электр тогының формуласы

Математикалық тұрғыдан электр тогы келесі теңдеумен өрнектеледі:
I = ΔQ / Δt
Формула сипаттамасы: I = электр тогы, ΔQ = электр зарядының мөлшері, Δt = уақыт аралығы.

Электр тогының өлшем бірлігі

Электр зарядының бірлігі - Кулон, уақыт бірлігі - секунд, сондықтан электр тогының бірлігі - Кулон/секунд. Кулон/секунд француз физигі Андре Мари Ампердің (1775-1836) есімімен аталған Ампер деп те аталады . 1 Ампер = 1 Кулон/секунд (1 А = 1 Кл/с). Басқаша айтқанда, 1 Амперлік электр тогы сымның көлденең қимасы арқылы 1 секунд ішінде өтетін 1 Кулондық электр зарядына тең. Ампермен өрнектелетіннен басқа, электр тогы миллиампермен (1 мА = 10 ^-3 А), микроампермен (1 мкА = 10 ^-6 А), наноампермен (1 нА = 10 ^-9 А) немесе пикоампермен (1 пА = 10 ^-12 А) да өрнектеледі.

1-мысал сұрақ:

Сым арқылы 8 секунд бойы 2 Амперлік ток өтеді. Нүкте арқылы өтетін зарядтың шамасын және сол зарядтағы электрондар санын анықтаңыз!
Талқылау
Белгілі болғандай:
Электр тогы (I) = 1 Ампер
Уақыт аралығы (t) = 2 секунд
Сұрақ қойылды: заряд (Q) және электрондар саны (e)
Жауап:
Электр тогының формуласы:
I = Q/t
Формула сипаттамасы: I = электр тогы, Q = электр заряды, t = уақыт аралығы
Электр заряды:
Q = I t = (2 Ампер)(8 секунд) = 16 Кулон.

Бір электронның заряды 1,6 x 10 ^-19 Кулонға тең, сондықтан 16 Кулон зарядының электрон саны 16 C / 1,6 x 10 ^-19 Кулон = 10 x 10 ¹⁹ электрон сияқты.

Электр тогы, дрейф жылдамдығы және ток тығыздығы

Көлденең қимасының ауданы А өткізгіште электр өрісі E бағытында v дрейф жылдамдығымен оңға қарай қозғалатын оң зарядты қарастырайық. Оң заряд t уақыт аралығында s = vt қашықтыққа жылжиды.

Егер көлемдегі зарядталған бөлшектердің саны (зарядталған бөлшектердің тығыздығы) n және өткізгіштің көлемі A s = A vt болса, онда өткізгіш көлеміндегі зарядталған бөлшектердің саны n A v t болады. Егер әрбір зарядталған бөлшектің заряды q болса, онда t уақыт аралығында өткізгіштің ұшынан өтетін заряд мөлшері Q = nq A v t болады. Демек, өткізгіштің ұшынан өтетін электр тогы I = Q/t = nq A v болады. Ал А көлденең қимасының ауданына шаққандағы ток тығыздығы немесе ток J = I/A = nq v болады. Өткізгіштегі ток зарядталған бөлшектердің тығыздығының (n), әрбір бөлшектің зарядының шамасының (q), өткізгіштің көлденең қимасының ауданының (A) және зарядталған бөлшектердің дрейф жылдамдығының (v) көбейтіндісінің нәтижесі деген қорытынды жасауға болады.

Әрбір зарядталған бөлшектің жылдамдығы мен барлық зарядталған бөлшектердің дрейф жылдамдығы арасындағы айырмашылықты түсіну үшін келесі мысал есебін зерттеңіз.

2-мысал сұрақ:

Көлденең қимасының ауданы 3 х 10 болатын мыс сымында 10 Ампер тұрақты ток ағады^-6 m²Еркін электрон тығыздығы 8,4 x 10²⁸ электрон/м³Бос электрондардың дрейф жылдамдығын анықтаңыз!
Талқылау
Белгілі болғандай:
Электр тогы (I) = 10 Ампер
Сымның көлденең қимасының ауданы (A) = 3 x 10^-6 m²
Еркін электрон тығыздығы (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Электрон заряды (q) = 1,6 x 10^-19 C
Сұрақ қойылды: Еркін электрон дрейф жылдамдығы (v)
Жауап:
Электрондардың жылдамдығы бұрын алынған формула бойынша есептеледі:

Сипаттамасы: I = электр тогы, n = зарядталған бөлшектердің тығыздығы = бос электрондардың тығыздығы, q = бір электронның заряды, A = өткізгіштің көлденең қимасының ауданы, v = электрон дрейфінің жылдамдығы

Электронның дрейф жылдамдығы 0,248 x 10 ^-3 метр/секунд = 0,248 миллиметр/секунд.

Еркін электрондар сым ішінде секундына 0,248 миллиметр жылдамдықпен бірге қозғалады. Басқаша айтқанда, әрбір секунд сайын барлық еркін электрондар 0,248 миллиметр қозғалады. Бұл өте баяу жылдамдық. Егер еркін электрондардың қозғалысы соншалықты баяу болса, неге қосқыш қосылғаннан кейін электр шамы бірден жанады?

Мұны түсіну үшін өткізгіштегі электрондар ағынын шлангтағы су ағыны ретінде қарастырыңыз. Егер шланг суға толы болса, онда шлангтың бір ұшы кранға қосылған болса, су екінші ұшынан бірден ағып шығады. Сол сияқты, мыс сымында және шам сымында бос электрондар бар. Қосқыш қосылған кезде жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен электр өрісі пайда болады (жарық жылдамдығы = 3 x 108 ^метр /секунд), бұл бос электрондардың бірден бірге қозғала бастауына әкеледі. Шам сымында бос электрондар бар, сондықтан шам бірден жанады.