Elektros srovės apibrėžimas
Laidininke, tokiame kaip varis, yra elektronų, kurie laisvai juda dideliu greičiu atsitiktinai, bet neištrūksta iš metalo. Elektronai, kurie gali laisvai judėti, vadinami laisvaisiais elektronais. Nors elektronai laisvai juda visomis kryptimis, nėra visiško elektronų srauto 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 varinio laido viduje atsiranda elektrinis laukas. Elektrinio lauko egzistavimas verčia laisvuosius elektronus patirti elektros jėgą F = q E = e E, kur F = elektrinė jėga , e = elektrono krūvis, E = elektrinis laukas . Ši elektrinė jėga verčia visus laisvai judančius elektronus kartu greitėti ta pačia kryptimi kaip ir elektros jėga.
Laisvieji elektronai, kurie juda kartu, yra tarp atomų, likusių variniame laide, todėl visi elektronai susiduria su atomais. Susidūrimas sukelia laisvųjų elektronų krypties pasikeitimą. Visi šie elektronai visada patiria elektros jėgą, todėl visi elektronai yra greitinami ta pačia kryptimi, kaip ir elektros jėgos kryptis. Akimirką pajudėję, laisvieji elektronai susiduria su atomais variniame laide. Tačiau laisvieji elektronai visada patiria elektros jėgą, todėl visi elektronai vėl yra greitinami. Taigi, be atsitiktinio judėjimo įvairiomis kryptimis, visi laisvieji elektronai taip pat lėtai juda kartu elektros jėgos kryptimi ir priešinga kryptimi elektriniam laukui. 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 laisvųjų elektronų judėjimas elektros jėgos kryptimi yra labai lėtas. Šis 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 teigiamo krūvio kryptimi. Šis susitarimas buvo sudarytas dar prieš tai, kai buvo žinoma, kad laidininke iš tikrųjų juda neigiamai įkrauti laisvieji elektronai. Elektronų judėjimo kryptis laidininke yra priešinga elektros srovės krypčiai. Taigi, jei aptarsime srovę, tekančią laidininke, turime omenyje teigiamo krūvio tekėjimą, kuris dar vadinamas įprastine srove, nes jis yra susitarimo rezultatas.
Elektros srovės lygtis
Matematiškai elektros srovė išreiškiama lygtimi:
I = ΔQ / Δt
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 – tai prancūzų fiziko André Marie Ampere (1775–1836) vardas. 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 amperų, elektros srovės taip pat išreiškiamos 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 pavyzdžio uždavinys:
Laidu 8 sekundes teka 2 amperų srovė. Nustatykite per tašką praėjusio krūvio kiekį ir elektronų skaičių tame krūvyje!
Žinomas:
Elektros srovė (I) = 1 ampero
Laiko intervalas (t) = 2 sekundžių
Ieškoma: krūvio (Q) ir elektronų skaičiaus (e)
Sprendimas:
Elektros srovės lygtis:
Aš = Q/t
I = elektros srovė, Q = elektros krūvis, t = laiko intervalas
Elektros krūvis:
Q = I t = (2 amperai)(8 sekundės) = 16 °C.
Vieno elektrono krūvis yra 1.6 x 10⁻⁹ Kulono , taigi 16 Kulonų krūvis turi tiek pat elektronų, kiek 16 C / 1.6 x 10⁻⁹ Kulono = 10 x 10⁹ elektronų.
Elektros srovė, dreifo greitis ir srovės tankis
Peržiūrėkite teigiamą krūvį, kuris juda į dešinę kartu su greičiu v elektrinio lauko E kryptimi.
ant laidininko, kurio skerspjūvio plotas yra A. Teigiamas krūvis per laiko intervalą t pasislenka tiek, kiek s = vt.
Jei įkrautų dalelių skaičius tūrio vienete (įkrautų dalelių tankis) yra n, o laidininko tūris yra A s = A vt,
tada įkrautų dalelių skaičius laidininko tūryje yra n A v t. Jei kiekviena įkrauta dalelė turi q krūvį, tai krūvio kiekis, praeinantis per laidininko galą per intervalą t, yra Q = nq A v t. Taigi, elektros srovė, tekanti per laidininko galą, yra I = Q / t = nq A v. Tuo tarpu srovės tankis arba srovė skerspjūvio plotui A yra J = I / A = nq v.
Galima daryti išvadą, kad laidininke tekanti srovė yra įkrautų dalelių tankio (n) daugybos produktas,
kiekvienos dalelės krūvio dydis (q), laidininko plotas (A) ir įkrautų dalelių greitis (v).
Išstudijuokite toliau pateiktus klausimų pavyzdžius.
2 pavyzdžio uždavinys:
Variniu laidu , kurio skerspjūvio plotas yra 3 x 10⁻⁶ m² , teka pastovi 10 amperų srovė . Laisvųjų elektronų tankis yra 8.4 x 10⁻² elektronų/m³ . Nustatykite laisvųjų elektronų dreifo greitį!
Žinomas:
Elektros srovė (I) = 10 ampero
Vielos skerspjūvio plotas (A) = 3 x 10⁻⁶ m²
Laisvųjų elektronų tankis (n) = 8.4 x 10⁻²⁸ m⁻³
Elektronų krūvis (q) = 1.6 x 10⁻⁹ C
Ieškoma: laisvojo elektronų dreifo greitis (v)
Sprendimas:
Elektronų greitis apskaičiuojamas pagal anksčiau gautą formulę:
I = elektros srovė, n = įkrautų dalelių tankis = elektronų tankis, q = vienas 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, kiekvieną sekundę visi laisvieji elektronai nueina net 0.248 milimetro. Tai labai mažas greitis. Jei laisvųjų elektronų judėjimas yra labai lėtas, kodėl elektrinė lemputė iš karto įsijungia įjungus jungiklį?
Kad tai suprastumėte, elektronai laidininke teka kaip vanduo žarnoje. Jei žarna pripildyta vandens, tai jei vienas žarnos galas prijungiamas prie čiaupo, vanduo iš karto išteka iš kito žarnos galo. Panašiai laisvų elektronų yra variniame laide ir lemputės laide. Įjungus jungiklį, atsiranda elektrinis laukas, kurio greitis artėja prie šviesos greičio (šviesos greitis = 3 x 10⁻⁹ metrai per sekundę), todėl tuo metu laisvieji elektronai pradeda judėti kartu. Lemputės laide jau yra laisvų elektronų, todėl tą akimirką lemputė dega.
Problemos ir sprendimai
1. Laidu 2 minutes teka pastovi 10 A srovė. Kokia krūvio dalis praeina per laidininką bet kurioje vietoje?
Žinomas:
Elektros srovė (I) = 10 A
Laiko intervalas (t) = 2 minutės = 2 x 60 sekundžių = 120 sekundžių
Ieškomas: Užpuolikas (Q)
sprendimas:
Elektros srovės lygtis:
I = q/t
I = elektros srovė, q = elektros krūvis, t = laiko intervalas
Elektros krūvis:
Q = I t = (10)(120) = 1200 °C
2. 60 C krūvis praeina pro grandinės tašką 5 minutes. Kokia yra elektros srovės stipris?
Žinomas:
Laiko intervalas (t) = 5 minutės = 5 x 60 sekundžių = 300 sekundžių
Elektros krūvis (Q) = 60 °C
Ieškoma: elektros srovės stipris (I)
sprendimas:
Elektros srovė:
Aš = Q/t
I = 60/300
I = 0.2 kulono per sekundę
I = 0.2 amperų
3. Elektros srovės matavimo vienetas SI sistemoje yra…
Sprendimas
Kulonai per sekundę
Kulonai/sekundės, suteikti specialaus pavadinimo – amperas.
