Definitioun vum elektresche Stroum
An engem Leeder wéi Koffer ginn et Elektronen, déi sech zoufälleg mat héijer Geschwindegkeet fräi beweegen, awer net aus dem Metall erauskommen. Elektronen, déi sech fräi beweege kënnen, gi fräi Elektronen genannt. Och wann d'Elektronen sech fräi a all Richtungen beweegen, gëtt et keen totale 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 elektresch Quell ugeschloss ass, entsteet eng Potenzialdifferenz tëscht den zwou Enden vum Kupferdrot, sou datt en elektrescht Feld am Kupferdrot entsteet. D'Existenz vun engem elektresche Feld bewierkt, datt fräi Elektronen d'elektresch Kraaft F = q E = e E erliewen, wou F = elektresch Kraaft , e = Elektronenladung, E = elektrescht Feld . Dës elektresch Kraaft bewierkt, datt all d'Elektronen, déi sech fräi beweegen, zesummen beschleunegen, wat an déiselwecht Richtung ass wéi d'elektresch Kraaft.
Déi fräi Elektronen, déi sech zesumme beweegen, sinn tëscht den Atomer, déi am Kofferdrot bleiwen, sou datt all d'Elektronen mat den Atomer kollidéieren. D'Kollisioun bewierkt, datt d'Richtung vun de fräien Elektronen ännert. All dës Elektronen erliewen ëmmer eng elektresch Kraaft, sou datt all d'Elektronen an déiselwecht Richtung wéi d'Richtung vun der elektrescher Kraaft beschleunegt ginn. Nodeems se sech e Moment beweegt hunn, kollidéiere fräi Elektronen mat Atomer am Kofferdrot. Awer fräi Elektronen erliewen ëmmer eng elektresch Kraaft, sou datt all Elektronen erëm beschleunegt ginn. Also, nieft der zoufälleger Bewegung a verschiddene Richtungen, beweege sech all fräi Elektronen och lues zesummen a Richtung vun der elektrescher Kraaft an an der entgéintgesater Richtung vum elektresche Feld. D'Richtung vum elektresche Feld ass vun engem héijen elektresche Potenzial op e niddregen elektresche Potenzial, während d'Elektronen vun engem niddrege Potenzial op e héije Potenzial beweegen. Déi zoufälleg Bewegung vun all fräien Elektron huet eng ganz séier Geschwindegkeet, während d'Bewegung mat fräien Elektronen a Richtung vun der elektrescher Kraaft eng ganz lues Geschwindegkeet huet. Dës Bewegung mat fräien Elektronen a Richtung vun der elektrescher Kraaft gëtt och Driftgeschwindegkeet genannt.
Elektresche Stroum gëtt definéiert als de Floss vun elektrescher Ladung duerch e Querschnitt vun engem Leeder während engem bestëmmten Zäitintervall. Geméiss der Ofstëmmung ass d'Richtung vum elektresche Stroum déiselwecht wéi d'Richtung vun der positiver Ladung. Dës Ofstëmmung gouf gemaach, ier et bekannt war, datt dat wat sech tatsächlech an engem Leeder beweegt, déi negativ gelueden fräi Elektronen sinn. D'Richtung vun der Bewegung vun den Elektronen am Leeder ass géint d'Richtung vum elektresche Stroum. Wann mir also iwwer de Stroum schwätzen, deen am Leeder fléisst, da mengen mir de Floss vun der positiver Ladung, deen och konventionelle Stroum genannt gëtt, well en d'Resultat vun enger Ofstëmmung ass.
D'Equatioun vum elektresche Stroum
Mathematesch gëtt den elektresche Stroum duerch d'Equatioun ausgedréckt:
I = ΔQ / Δt
I = elektresche Stroum, ΔQ = Quantitéit vun der elektrescher Ladung, Δt = Zäitintervall.
Eenheet vum elektresche Stroum
D'Eenheet vun der elektrescher Ladung ass Coulomb, d'Eenheet vun der Zäit ass Sekonn, dofir ass d'Eenheet vum elektresche Stroum Coulomb/Sekonn. Coulomb/Sekonn gëtt och Ampere genannt, den Numm vum franséische Physiker André Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/Sekonn (1 A = 1 C/s). An anere Wierder, en elektresche Stroum vun 1 Ampere ass gläich wéi eng elektresch Ladung vun 1 Coulomb, déi 1 Sekonn duerch eng Querschnittsfläch vun engem Drot geet. Nieft dem Ausdrock an Ampere ginn elektresch Stréim och a Milliampere (1 mA = 10⁻³ A ), Mikroampere (1 μA = 10⁻³ A ), Nanoampere (1 nA = 10⁻¹ A) oder Picoampere (1 pA = 10⁻¹² A ) ausgedréckt.
Beispillproblem 1:
E Stroum vun 2 Ampere fléisst 8 Sekonnen duerch den Drot. Bestëmmt d'Quantitéit vun der Ladung, déi duerch e Punkt fléisst, an d'Zuel vun den Elektronen an där Ladung!
Bekannt:
Elektresche Stroum (I) = 1 Ampere
Zäitintervall (t) = 2 Sekonnen
Gewënscht: Ladung (Q) an Unzuel vun Elektronen (e)
Léisung:
Gleichung vum elektresche Stroum:
ech = Q/t
I = elektresche Stroum, Q = elektresch Ladung, t = Zäitintervall
Elektresch Ladung:
Q = I t = (2 Ampere)(8 Sekonnen) = 16 C.
D'Ladung vun engem Elektron ass 1.6 x 10⁻⁶ Coulomb , dofir huet d'Ladung vun 16 Coulombs esou vill Elektronen wéi 16 C / 1.6 x 10⁻⁶ Coulomb = 10 x 10⁻⁶ Elektronen.
Elektresche Stroum, Driftgeschwindegkeet a Stroumdicht
Kuckt Iech déi positiv Ladung un, déi sech mat der Geschwindegkeet v no riets beweegt a sech a Richtung vum elektresche Feld E dréckt.
op engem Leeder mat enger Querschnittsfläch A. Déi positiv Ladung beweegt sech bis zu s = vt am Zäitintervall t.
Wann d'Zuel vun de geluedene Partikelen pro Volumen (Dicht vun de geluedene Partikelen) n ass an de Volumen vum Leeder A s = A vt ass,
dann ass d'Zuel vun de geluedene Partikelen am Volumen vum Leeder n A v t. Wann all geluedent Partikel eng Ladung vun q huet, dann ass d'Quantitéit un Ladung, déi duerch d'Enn vum Leeder am Intervall t fléisst, Q = nq A v t. Also ass den elektresche Stroum, deen duerch d'Spëtzt 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'Produkt vun der Multiplikatioun vun der Dicht vun den geluedenen Partikelen (n) ass,
d'Quantitéit vun der Ladung fir all Partikel (q), d'Fläch vum Leeder (A) an d'Geschwindegkeet vun den geluedenen Partikelen (v).
Studéiert déi folgend Beispillfroen.
Beispillproblem 2:
E konstante Stroum vun 10 Ampere fléisst duerch e Kofferdrot mat enger Querschnittsfläch vun 3 x 10⁻⁶ m² . D'Dicht vun de fräien Elektronen ass 8.4 x 10⁶² Elektronen/m³ . Bestëmmt d'Geschwindegkeet vun der Drift vun de fräien Elektronen!
Bekannt:
Elektresche Stroum (I) = 10 Ampere
Drotquerschnittsfläche (A) = 3 x 10⁻⁶ m²
Fräi Elektronendicht (n) = 8.4 x 10^ 28 m -3
Elektronenladung (q) = 1.6 x 10⁻⁹ C
Gewënscht: Geschwindegkeet vun der fräier Elektronendrift (v)
Léisung:
D'Geschwindegkeet vun den Elektronen gëtt mat enger Formel berechent, déi virdru scho benotzt gouf:
I = elektresche Stroum, n = Dicht vun de geluedene Partikelen = Elektronendichte, q = eng Elektronladung, A = Querschnittsfläche vum Leeder, v = Geschwindegkeet vun der Elektronendrift
D'Geschwindegkeet vun der Elektronedrift 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 fräi Elektrone bis zu 0.248 Millimeter. Dëst ass eng ganz lues Geschwindegkeet. Wann d'Bewegung vu fräien Elektrone ganz lues ass, firwat geet dann d'elektrescht Liicht direkt un, nodeems de Schalter ageschalt ass?
Fir dëst ze verstoen, fléissen Elektronen am Leeder wéi de Waasserstroum am Schlauch. Wann de Schlauch mat Waasser gefëllt ass, an een Enn vum Schlauch un den Krunn ugeschloss ass, fléisst d'Waasser direkt aus dem engem Enn vum aneren Schlauch eraus. Och ginn et fräi Elektronen am Kofferdrot an am Glühbirnendrot. Wann de Schalter ageschalt gëtt, entsteet en elektrescht Feld mat enger Geschwindegkeet, déi der Liichtgeschwindegkeet no kënnt (Liichtgeschwindegkeet = 3 x 108 Meter /Sekonn), wat dozou féiert, datt fräi Elektronen sech an deem Moment zesumme beweegen. Et ginn schonn fräi Elektronen am Glühbirnendrot, sou datt d'Luucht genau an deem Moment un ass.
Probleemer a Léisungen
1. E stännege Stroum vun 10 A gëtt et 2 Minutten an engem Drot. Wéi vill vun der Ladung geet duerch de Leeder op iergendenger Plaz?
Bekannt:
Elektresche Stroum (I) = 10 A
Zäitintervall (t) = 2 Minutten = 2 x 60 Sekonnen = 120 Sekonnen
Gesicht: Charge (Q)
Léisung:
Gleichung vum elektresche Stroum:
Ech = q/t
I = den elektresche Stroum, q = d'elektresch Ladung, t = den Zäitintervall
Déi elektresch Ladung:
Q = I t = (10)(120) = 1200 °C
2. 60 C Ladung passéiert 5 Minutten laang laanscht e Punkt am Circuit. Wéi héich ass den elektresche Stroum?
Bekannt:
Den Zäitintervall (t) = 5 Minutten = 5 x 60 Sekonnen = 300 Sekonnen
Déi elektresch Ladung (Q) = 60 C
Gewënscht: Den elektresche Stroum (I)
Léisung:
Den elektresche Stroum:
ech = Q/t
ech = 60/300
I = 0.2 Coulomb/Sekonn
I = 0.2 Ampere
3. D'Eenheet vum elektresche Stroum am SI-System ass…
Léisung
Coulomb/Sekonn
Coulomb/Sekonnen, krut en speziellen Numm, den Ampere.
