Elektriskā strāva

Elektriskās strāvas definīcija

Vadītāja, piemēram, vara, iekšpusē ir elektroni, kas brīvi un nejauši pārvietojas lielā ātrumā, bet neizkļūst no metāla. Elektronus, kas var brīvi pārvietoties, sauc par brīvajiem elektroniem. Lai gan elektroni brīvi pārvietojas visos virzienos, nevienā konkrētā virzienā nav elektronu plūsmas. Šis stāvoklis rodas, ja starp vara stieples abiem galiem nav potenciālu starpības.

Kad vads ir pievienots elektrības avotam, starp vara vada abiem galiem rodas potenciālu starpība, tādējādi vara vadā radot elektrisko lauku. Elektriskā lauka klātbūtne izraisa brīvo elektronu elektriskā spēka iedarbību F = q E = e E, kur F = elektriskais spēks, e = elektrona lādiņš, E = elektriskais lauks . Elektriskais spēks izraisa visu brīvi kustīgo elektronu vienādu paātrinājumu tajā pašā virzienā kā elektriskais spēks.

Šie brīvie elektroni, pārvietojoties kopā, atrodas starp nekustīgajiem atomiem vara vadā, izraisot visu elektronu sadursmi ar šiem atomiem. Šīs sadursmes izraisa brīvo elektronu kustības virziena maiņu. Visi šie elektroni ir pastāvīgi pakļauti elektriskajam spēkam, kā rezultātā tie paātrinās tajā pašā virzienā, kurā pārvietojas elektriskais spēks. Pēc brīža kustības brīvie elektroni atkal saduras ar atomiem vara vadā. Tomēr brīvie elektroni vienmēr ir pakļauti elektriskajam spēkam, kā rezultātā visi elektroni atkal paātrinās.

Tātad, papildus nejaušai kustībai dažādos virzienos, visi brīvie elektroni arī lēnām pārvietojas kopā elektriskā spēka virzienā un pretējā elektriskā lauka virzienā. Elektriskā lauka virziens ir no augsta elektriskā potenciāla uz zemu elektrisko potenciālu, savukārt elektroni pārvietojas no zema potenciāla uz augstu potenciālu. Katra brīvā elektrona nejaušā kustība ir ļoti ātra, savukārt brīvo elektronu kolektīvā kustība elektriskā spēka virzienā ir ļoti lēna. Šo brīvo elektronu kolektīvo kustību elektriskā spēka virzienā sauc arī par dreifa ātrumu.

Elektriskā strāva ir definēta kā elektriskā lādiņa plūsma caur vadītāja šķērsgriezumu noteiktā laika intervālā. Pēc vienošanās elektriskās strāvas virziens sakrīt ar pozitīvo lādiņu kustības virzienu. Šī vienošanās tika panākta, pirms bija zināms, ka vadītājā faktiski pārvietojas brīvi, negatīvi lādēti elektroni. Elektronu kustības virziens vadītājā ir pretējs elektriskās strāvas virzienam. Tāpēc, runājot par strāvu, kas plūst vadītājā, tiek domāta pozitīvo lādiņu plūsma, kas pazīstama arī kā parastā strāva, jo tā ir šīs vienošanās rezultāts.

Elektriskās strāvas formula

Matemātiski elektriskās strāvas stiprumu izsaka ar vienādojumu:
I = ΔQ / Δt
Formulas apraksts: I = elektriskā strāva, ΔQ = elektriskā lādiņa daudzums, Δt = laika intervāls.

Elektriskās strāvas mērvienība

Elektriskā lādiņa mērvienība ir kulons, laika mērvienība ir sekunde, tāpēc elektriskās strāvas mērvienība ir kulons/sekunde. Kulonu/sekundi sauc arī par ampēru , kas nosaukts franču fiziķa Andrē Marija Ampēra (1775–1836) vārdā. 1 ampērs = 1 kulons/sekunde (1 A = 1 C/s). Citiem vārdiem sakot, 1 ampēra elektriskā strāva ir vienāda ar 1 kulona elektrisko lādiņu, kas 1 sekundi iziet cauri vada šķērsgriezuma laukumam. Papildus tam, ka elektriskā strāva tiek izteikta ampēros, to izsaka arī miliamperos (1 mA = 10⁻⁸ ^A ), mikroampēros (1 μA = ^10⁻⁸ A), nanoampēros (1 nA = 10⁻⁸ ^A ) vai pikoampēros (1 pA = 10⁻⁸ ^A ).

1. jautājuma piemērs:

Caur vadu 8 sekundes plūst 2 ampēru strāva. Nosakiet caur punktu ietošā lādiņa lielumu un elektronu skaitu šajā lādiņā!
Diskusija
Ir zināms, ka:
Elektriskā strāva (I) = 1 ampēri
Laika intervāls (t) = 2 sekundes
Jautāja: lādiņš (Q) un elektronu skaits (e)
Atbilde:
Elektriskās strāvas formula:
I = Q/t
Formulas apraksts: I = elektriskā strāva, Q = elektriskais lādiņš, t = laika intervāls
Elektriskais lādiņš:
Q = I t = (2 ampēri)(8 sekundes) = 16 kuloni.

Viena elektrona lādiņš ir 1,6 x 10⁻⁹ ^Kulonu , tātad 16 Kulonu lādiņā ir tikpat elektronu, cik 16C / 1,6 x 10⁻⁹ ^Kulonu = 10 x ^10⁻¹ elektronu.

Elektriskā strāva, dreifa ātrums un strāvas blīvums

Apsveriet pozitīvu lādiņu, kas vadītājā ar šķērsgriezuma laukumu A pārvietojas pa labi ar dreifēšanas ātrumu v elektriskā lauka E virzienā. Pozitīvais lādiņš laika intervālā t pārvietojas attālumu s = vt.

Ja lādēto daļiņu skaits uz tilpumu (lādēto daļiņu blīvums) ir n un vadītāja tilpums ir As = Avt, tad lādēto daļiņu skaits vadītāja tilpumā ir nAvt. Ja katrai lādētajai daļiņai ir lādiņš q, tad lādiņa daudzums, kas iziet cauri vadītāja galam laika intervālā t, ir Q = nqAvt. Tātad elektriskā strāva, kas plūst cauri vadītāja galam, ir I = Q/t = nqAv. Savukārt strāvas blīvums jeb strāva uz šķērsgriezuma laukumu A ir J = I/A = nqv. Var secināt, ka vadītājā plūstošā strāva ir lādēto daļiņu blīvuma (n), katras daļiņas lādiņa lieluma (q), vadītāja šķērsgriezuma laukuma (A) un lādēto daļiņu dreifēšanas ātruma (v) reizinājuma rezultāts.

Izpētiet šo problēmas piemēru, lai izprastu atšķirību starp katras lādētās daļiņas ātrumu un visu lādēto daļiņu dreifēšanas ātrumu.

2. jautājuma piemērs:

Vara vadā ar šķērsgriezuma laukumu 3 x 10 plūst nemainīga 10 ampēru strāva.^-6 m²Brīvo elektronu blīvums ir 8,4 x 10²⁸ elektroni/m³Nosakiet brīvo elektronu dreifa ātrumu!
Diskusija
Ir zināms, ka:
Elektriskā strāva (I) = 10 ampēri
Vadu šķērsgriezuma laukums (A) = 3 x 10^-6 m²
Brīvo elektronu blīvums (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronu lādiņš (q) = 1,6 x 10^-19 C
Jautāja: Brīvā elektronu dreifa ātrums (v)
Atbilde:
Elektronu ātrumu aprēķina, izmantojot iepriekš iegūto formulu:

Apraksts: I = elektriskā strāva, n = lādēto daļiņu blīvums = brīvo elektronu blīvums, q = viena elektrona lādiņš, A = vadītāja šķērsgriezuma laukums, v = elektronu dreifa ātrums

Elektronu dreifa ātrums ir 0,248 x 10⁻³ ^metri sekundē = 0,248 milimetri sekundē.

Brīvie elektroni pārvietojas kopā vadā ar ātrumu 0,248 milimetri sekundē. Citiem vārdiem sakot, katru sekundi visi brīvie elektroni pārvietojas par 0,248 milimetriem. Tas ir ļoti lēns ātrums. Ja brīvo elektronu kustība ir tik lēna, kāpēc elektriskā gaisma ieslēdzas uzreiz pēc slēdža ieslēgšanas?

Lai to saprastu, aplūkojiet elektronu plūsmu vadītājā kā ūdens plūsmu šļūtenē. Ja šļūtene ir piepildīta ar ūdeni, tad, ja viens šļūtenes gals ir savienots ar krānu, ūdens nekavējoties izplūdīs pa otru galu. Līdzīgi brīvie elektroni ir vara vadā un spuldzes vadā. Ieslēdzot slēdzi, rodas elektriskais lauks ar ātrumu, kas tuvojas gaismas ātrumam (gaismas ātrums = 3 x 108 ^metri sekundē), kas liek brīvajiem elektroniem nekavējoties sākt kustēties kopā. Spuldzes vadā jau ir brīvie elektroni, tāpēc spuldze nekavējoties ieslēdzas.