Elektros srovė

Elektros srovės apibrėžimas

Laidininko, pavyzdžiui, vario, viduje yra elektronų, kurie laisvai ir atsitiktinai juda dideliu greičiu, bet neištrūksta iš metalo. Elektronai, kurie gali laisvai judėti, vadinami laisvaisiais elektronais. Nors elektronai laisvai juda visomis kryptimis, nėra jokio grynojo elektronų srauto jokia konkrečia kryptimi. Ši būsena susidaro, kai tarp dviejų varinio laido galų nėra potencialų skirtumo.

Kai laidas prijungiamas prie elektros šaltinio, tarp dviejų varinio laido galų atsiranda potencialų skirtumas, todėl variniame laide susidaro elektrinis laukas. Elektrinio lauko buvimas verčia laisvuosius elektronus patirti elektrinę jėgą F = q E = e E, kur F = elektrinė jėga, e = elektrono krūvis, E = elektrinis laukas . Elektrinė jėga verčia visus laisvai judančius elektronus patirti bendrą pagreitį ta pačia kryptimi kaip ir elektrinė jėga.

Šie kartu judantys laisvieji elektronai yra tarp nejudančių atomų variniame laide, todėl visi elektronai susiduria su šiais atomais. Dėl šių susidūrimų laisvieji elektronai keičia savo judėjimo kryptį. Visus šiuos elektronus nuolat veikia elektros jėga, todėl jie greitėja ta pačia kryptimi kaip ir elektros jėga. Akimirką pajudėję laisvieji elektronai vėl susiduria su atomais variniame laide. Tačiau laisvuosius elektronus visada veikia elektros jėga, todėl visi elektronai vėl greitėja.

Taigi, be atsitiktinio judėjimo įvairiomis kryptimis, visi laisvieji elektronai taip pat lėtai juda kartu elektros jėgos kryptimi ir priešinga elektrinio lauko kryptimi. Elektrinio lauko kryptis yra nuo didelio elektrinio potencialo iki mažo elektrinio potencialo, o elektronai juda nuo mažo potencialo iki didelio potencialo. Kiekvieno laisvojo elektrono atsitiktinis judėjimas yra labai greitas, o kolektyvinis laisvųjų elektronų judėjimas elektros jėgos kryptimi yra labai lėtas. Šis kolektyvinis laisvųjų elektronų judėjimas elektros jėgos kryptimi dar vadinamas dreifo greičiu.

Elektros srovė apibrėžiama kaip elektros krūvio tekėjimas laidininko skerspjūviu per tam tikrą laiko intervalą. Pagal susitarimą, elektros srovės kryptis sutampa su teigiamų krūvių judėjimo kryptimi. Šis susitarimas buvo pasiektas dar prieš tai, kai buvo žinoma, kad laidininke iš tikrųjų juda laisvi, neigiamai įkrauti elektronai. Elektronų judėjimo kryptis laidininke yra priešinga elektros srovės krypčiai. Todėl, aptariant srovę, tekančią laidininke, turime omenyje teigiamų krūvių tekėjimą, dar vadinamą įprastine srove, nes ji yra šio susitarimo rezultatas.

Elektros srovės formulė

Matematiškai elektros srovė išreiškiama lygtimi:
I = ΔQ / Δt
Formulės aprašymas: I = elektros srovė, ΔQ = elektros krūvio kiekis, Δt = laiko intervalas.

Elektros srovės vienetas

Elektros krūvio vienetas yra Kulonas, laiko vienetas – sekundė, taigi elektros srovės vienetas yra Kulonas/sekundė. Kulonas/sekundė dar vadinamas amperu , pavadintas prancūzų fiziko André Marie Ampere (1775–1836) vardu. 1 amperas = 1 kulonas/sekundė (1 A = 1 C/s). Kitaip tariant, 1 ampero elektros srovė lygi 1 kulono elektros krūviui, praeinančiam per laido skerspjūvio plotą 1 sekundę. Be to, kad elektros srovė išreiškiama amperais, ji taip pat išreiškiama miliamperais (1 mA = 10⁻⁴ ^A ), mikroamperais (1 μA = 10⁻⁴ ^A ), nanoamperais (1 nA = 10⁻⁴ ^A ) arba pikoamperais (1 pA = 10⁻⁴ ^A ).

1 klausimo pavyzdys:

Laidu 8 sekundes teka 2 amperų srovė. Nustatykite per tašką einančio krūvio dydį ir elektronų skaičių tame krūvyje!
Pembahasanas
Yra žinoma, kad:
Elektros srovė (I) = 1 amperas
Laiko intervalas (t) = 2 sekundė
Paklausė: krūvis (Q) ir elektronų skaičius (e)
Jawab :
Elektros srovės formulė:
Aš = Q/t
Formulės aprašymas: I = elektros srovė, Q = elektros krūvis, t = laiko intervalas
Elektros krūvis:
Q = I t = (2 amperai)(8 sekundės) = 16 kulonų.

Vieno elektrono krūvis yra 1,6 x 10⁻⁹ ^Kulono , taigi 16 Kulono krūvis turi tiek elektronų, kiek 16 C / 1,6 x 10⁻⁹ ^Kulono = 10 x ^10⁻¹ elektronų.

Elektros srovė, dreifo greitis ir srovės tankis

Teigiamas krūvis laidininke, kurio skerspjūvio plotas A, juda į dešinę elektrinio lauko E kryptimi greičiu v. Teigiamas krūvis per laiko intervalą t nueina atstumą s = vt.

Jei įkrautų dalelių skaičius tūryje (įkrautų dalelių tankis) yra n, o laidininko tūris yra A s = A vt, tai įkrautų dalelių skaičius laidininko tūryje yra n A vt. Jei kiekviena įkrauta dalelė turi q krūvį, tai krūvio kiekis, praeinantis per laidininko galą per laiko intervalą t, yra Q = nq A vt. Taigi elektros srovė, tekanti per laidininko galą, yra I = Q/t = nq A v. Tuo tarpu srovės tankis arba srovė skerspjūvio plote A yra J = I/A = nq v. Galima daryti išvadą, kad srovė, tekanti laidininke, yra įkrautų dalelių tankio (n), kiekvienos dalelės krūvio dydžio (q), laidininko skerspjūvio ploto (A) ir įkrautų dalelių dreifo greičio (v) daugybos rezultatas.

Išnagrinėkite šį pavyzdinį uždavinį, kad suprastumėte skirtumą tarp kiekvienos įkrautos dalelės greičio ir visų įkrautų dalelių dreifo greičio.

2 klausimo pavyzdys:

Variniu laidu, kurio skerspjūvio plotas yra 3 x 10, teka pastovi 10 amperų srovė.^-6 m²Laisvųjų elektronų tankis yra 8,4 x 10²⁸ elektronai/m³Nustatykite laisvųjų elektronų dreifo greitį!
Pembahasanas
Yra žinoma, kad:
Elektros srovė (I) = 10 amperas
Vielos skerspjūvio plotas (A) = 3 x 10^-6 m²
Laisvųjų elektronų tankis (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronų krūvis (q) = 1,6 x 10^-19 C
Paklausė: Laisvojo elektronų dreifo greitis (v)
Jawab :
Elektronų greitis apskaičiuojamas pagal anksčiau gautą formulę:

Aprašymas: I = elektros srovė, n = įkrautų dalelių tankis = laisvųjų elektronų tankis, q = vieno elektrono krūvis, A = laidininko skerspjūvio plotas, v = elektronų dreifo greitis

Elektronų dreifo greitis yra 0,248 x 10⁻³ ^metrų per sekundę = 0,248 milimetro per sekundę.

Laisvieji elektronai juda kartu laide 0,248 milimetro per sekundę greičiu. Kitaip tariant, kas sekundę visi laisvieji elektronai juda 0,248 milimetro. Tai labai mažas greitis. Jei laisvųjų elektronų judėjimas yra toks lėtas, kodėl elektros lemputė iš karto įsijungia įjungus jungiklį?

Norėdami tai suprasti, įsivaizduokite elektronų srautą laidininke kaip vandens srautą žarnoje. Jei žarna pripildyta vandens, tai jei vienas žarnos galas prijungtas prie čiaupo, vanduo iš karto tekės iš kito galo. Panašiai ir variniame laide, ir lemputės laide yra laisvų elektronų. Įjungus jungiklį, susidaro elektrinis laukas, kurio greitis artėja prie šviesos greičio (šviesos greitis = 3 x 108 ^metrų per sekundę), todėl laisvieji elektronai iš karto pradeda judėti kartu. Lemputės laide jau yra laisvų elektronų, todėl lemputė iš karto įsijungia.