Definitioun vum elektresche Stroum
An engem Leeder wéi Koffer ginn et Elektronen, déi sech fräi an zoufälleg mat héijer Geschwindegkeet beweegen, awer net aus dem Metall erauskommen. Elektronen, déi sech fräi beweege kënnen, gi fräi Elektronen genannt. Och wann Elektronen sech fräi a all Richtungen beweegen, gëtt et kee Netto-Floss vun Elektronen an eng bestëmmt Richtung. Dësen Zoustand trëtt op, wann et keng Potenzialënnerscheed tëscht den zwou Enden vum Kofferdrot gëtt.
Wann den Drot un eng Stroumquell ugeschloss ass, entsteet eng Potenzialdifferenz tëscht den zwou Enden vum Kupferdrot, wouduerch en elektrescht Feld am Kupferdrot entsteet. elektrescht Feld verursaacht datt fräi Elektronen erliewen elektresch Kraaft F = q E = e E, wou F = elektresch Kraaft, e = Elektronenladung, E = elektrescht FeldDéi elektresch Kraaft bewierkt, datt all fräi bewegend Elektronen eng gemeinsam Beschleunigung an der selwechter Richtung wéi déi elektresch Kraaft erliewen.
Dës fräi Elektronen, déi sech zesumme beweegen, sinn tëscht den stationären Atomer am Kofferdrot lokaliséiert, wouduerch all d'Elektronen mat dësen Atomer kollidéieren. Dës Kollisiounen bewierken, datt déi fräi Elektronen hir Bewegungsrichtung änneren. All dës Elektronen sinn stänneg enger elektrescher Kraaft ausgesat, wouduerch se an déiselwecht Richtung wéi déi elektresch Kraaft beschleunegen. Nodeems se sech e Moment beweegt hunn, kollidéieren déi fräi Elektronen erëm mat den Atomer am Kofferdrot. Wéi och ëmmer, déi fräi Elektronen sinn ëmmer enger elektrescher Kraaft ausgesat, wouduerch all d'Elektronen erëm beschleunegen.
Also, zousätzlech zu der Beweegung vun fräien Elektronen a verschiddene Richtungen, beweege sech all fräi Elektronen och zesummen lues a Richtung vun der elektrescher Kraaft an an déi entgéintgesate Richtung vum elektresche Feld. D'Richtung vum elektresche Feld ass vun héijem elektresche Potenzial op niddregem elektresche Potenzial, während d'Elektronen vu niddregem Potenzial op héicht Potenzial beweegen. Déi zoufälleg Bewegung vun all fräien Elektron huet eng ganz héich Geschwindegkeet, während déi kollektiv Bewegung vun de fräien Elektronen a Richtung vun der elektrescher Kraaft eng ganz lues Geschwindegkeet huet. Dës kollektiv Bewegung vun de fräien Elektronen a Richtung vun der elektrescher Kraaft gëtt och Driftgeschwindegkeet genannt.
Elektresche Stroum gëtt definéiert als de Floss vun elektresch Ladung duerch e Querschnitt vun engem Leeder iwwer e bestëmmten Zäitintervall fléissen. No Konventioun ass d'Richtung vum elektresche Stroum déiselwecht wéi d'Beweegungsrichtung vun enger positiver Ladung. Dës Ofkommes gouf gemaach, ier et bekannt war, datt dat wat sech tatsächlech an engem Leeder beweegt, fräi Elektrone mat enger negativer elektrescher Ladung sinn. D'Richtung vun der Elektronebewegung an engem Leeder ass géint d'Richtung vum elektresche Stroum. Dofir, wann et ëm de Stroum geet, deen an engem Leeder fléisst, mengt een de Floss vun der positiver Ladung, och bekannt als konventionelle Stroum, well en d'Resultat vun dëser Ofkommes ass.
Formel fir elektresche Stroum
Mathematesch gëtt den elektresche Stroum duerch d'Equatioun ausgedréckt:
Ech = ΔQ / Δt
Formelbeschreiwung: I = elektresche Stroum, ΔQ = Quantitéit vun der elektrescher Ladung, Δt = Zäitintervall.
Eenheet vum elektresche Stroum
D'Eenheet vun der elektrescher Ladung ass de Coulomb, d'Eenheet vun der Zäit ass d'Sekonn, dofir ass d'Eenheet vum elektresche Stroum de Coulomb/Sekonn. De Coulomb/Sekonn gëtt och genannt Ampere, den Numm vum franséische Physiker André Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampère = 1 Coulomb / Sekonn (1 A = 1 C/s). An anere Wierder, en elektresche Stroum vun 1 Ampère ass gläich wéi eng elektresch Ladung vun 1 Coulomb, déi 1 Sekonn laang duerch eng Querschnittsfläch vun engem Drot fléisst. Nieft der Ausdrockung an Ampère gëtt den elektresche Stroum och a Milliampere ausgedréckt (1 mA = 10-3 A), Mikroampere (1 μA = 10-6 A), Nanoampere (1 nA = 10-9 A) oder Pikoamper (1 pA = 10-12 A).
Beispill Fro 1:
E Stroum vun 2 Ampere fléisst 8 Sekonnen duerch en Drot. Bestëmmt d'Gréisst vun der Ladung, déi duerch e Punkt fléisst, an d'Zuel vun den Elektronen an där Ladung!
Diskussioun
Et ass bekannt, datt:
Elektresche Stroum (I) = 1 Ampere
Zäitintervall (t) = 2 Sekonnen
Gefrot: Ladung (Q) an Unzuel vun Elektronen (e)
Äntwert:
Formel fir elektresch Stroum:
ech = Q/t
Formelbeschreiwung: I = elektresche Stroum, Q = elektresch Ladung, t = Zäitintervall
Elektresch Ladung:
Q = I t = (2 Ampere)(8 Sekonnen) = 16 Coulomb.
D'Ladung vun engem Elektron ass 1,6 x 10-19 Coulomb, sou datt eng Ladung vun 16 Coulomb 16 C / 1,6 x 10 Elektronen huet-19 Coulomb = 10 x 1019 Elektron.
Elektresche Stroum, Driftgeschwindegkeet a Stroumdicht
Betruecht eng positiv Ladung, déi sech mat Driftgeschwindegkeet v no riets a Richtung vun engem elektresche Feld E an engem Leeder mat der Querschnittsfläch A beweegt. Déi positiv Ladung beweegt sech eng Distanz s = vt während engem Zäitintervall t.
Wann d'Zuel vun de geluedene Partikelen pro Volumen (gelueden Partikeldicht) n ass an de Volumen vum Leeder A s = A vt ass, dann ass d'Zuel vun de geluedene Partikelen am Leedervolumen n A v t. Wann all gelueden Partikel eng Ladung vun q huet, dann ass d'Quantitéit un Ladung, déi duerch d'Enn vum Leeder während dem Zäitintervall t fléisst, Q = nq A v t. Dofir ass den elektresche Stroum, deen duerch d'Enn vum Leeder fléisst, I = Q/t = nq A v. Wärend d'Stroumdicht oder de Stroum pro Querschnittsfläche A J = I/A = nq v ass. Et kann een dovun ausgoen, datt de Stroum, deen am Leeder fléisst, d'Resultat vun der Multiplikatioun vun der Dicht vun de geluedene Partikelen (n), der Gréisst vun der Ladung vun all Partikel (q), der Querschnittsfläche vum Leeder (A) an der Driftgeschwindegkeet vun de geluedene Partikelen (v) ass.
Studéiert dëst Beispillproblem fir den Ënnerscheed tëscht der Geschwindegkeet vun all geluedenen Partikel an der Driftgeschwindegkeet vun alle geluedenen Partikelen ze verstoen.
Beispill Fro 2:
E konstante Stroum vun 10 Ampère fléisst duerch e Kofferdrot mat enger Querschnittsfläch vun 3 x 10-6 m2D'Dicht vun de fräien Elektronen ass 8,4 x 1028 Elektronen/m3Bestëmmt d'Driftgeschwindegkeet vun de fräien Elektronen!
Diskussioun
Et ass bekannt, datt:
Elektresche Stroum (I) = 10 Ampere
Drotquerschnittsfläche (A) = 3 x 10-6 m2
Fräi Elektronendicht (n) = 8,4 x 1028 m-3
Elektronenladung (q) = 1,6 x 10-19 C
Gefrot: Driftgeschwindegkeet vun de fräien Elektronen (v)
Äntwert:
D'Geschwindegkeet vun den Elektronen gëtt mat der virdru ofgeleeter Formel berechent:
Beschreiwung: I = elektresche Stroum, n = Dicht vun de geluedenen Partikelen = Dicht vun de fräien Elektronen, q = Ladung vun engem Elektron, A = Querschnittsfläche vum Leeder, v = Elektronendriftgeschwindegkeet
D'Elektronedriftgeschwindegkeet ass 0,248 x 10-3 Meter/Sekonn = 0,248 Millimeter/Sekonn.
Fräi Elektrone beweege sech zesummen an engem Drot mat enger Geschwindegkeet vun 0,248 Millimeter pro Sekonn. An anere Wierder, all Sekonn beweege sech all déi fräi Elektrone 0,248 Millimeter. Dëst ass eng ganz lues Geschwindegkeet. Wann d'Bewegung vu fräien Elektrone sou lues ass, firwat geet dann eng elektresch Luucht direkt un, nodeems de Schalter ageschalt ass?
Fir dëst ze verstoen, betruecht de Floss vun Elektronen an engem Leeder wéi de Floss vum Waasser an engem Schlauch. Wann de Schlauch mat Waasser gefëllt ass, a wann een Enn vum Schlauch un en Krunn ugeschloss ass, fléisst d'Waasser direkt um aneren Enn eraus. Ähnlech gëtt et fräi Elektronen am Kofferdrot an am Drot vun enger Glühbir. Wann de Schalter ageschalt gëtt, gëtt en elektrescht Feld mat enger Geschwindegkeet generéiert, déi der Liichtgeschwindegkeet no kënnt (Liichtgeschwindegkeet = 3 x 108 Meter/Sekonn), wat dozou féiert, datt déi fräi Elektronen an deem Moment ufänken, sech zesummen ze beweegen. Et gi scho fräi Elektronen am Drot vun der Glühbir, sou datt d'Luucht an deem Moment uschalt.
