Elektriskā strāva

Elektriskās strāvas definīcija

Vadītājā, piemēram, varā, ir elektroni, kas brīvi pārvietojas ar lielu ātrumu, bet neizkļūst no metāla. Elektronus, kas var brīvi pārvietoties, sauc par brīvajiem elektroniem. Lai gan elektroni brīvi pārvietojas visos virzienos, nav pilnīgas elektronu plūsmas noteiktā virzienā. 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, kā rezultātā vara vadā parādās elektriskais lauks. Elektriskā lauka esamība liek brīvajiem elektroniem izjust elektrisko spēku F = q E = e E, kur F = elektriskais spēks , e = elektrona lādiņš, E = elektriskais lauks . Šis elektriskais spēks liek visiem brīvi kustīgajiem elektroniem paātrināties kopā, kas ir tajā pašā virzienā kā elektriskais spēks.

Brīvie elektroni, kas pārvietojas kopā, atrodas starp atomiem, kas paliek vara vadā, tāpēc visi elektroni saduras ar atomiem. Sadursme izraisa brīvo elektronu virziena maiņu. Visi šie elektroni vienmēr izjūt elektrisko spēku, tāpēc visi elektroni tiek paātrināti tajā pašā virzienā, kurā darbojas elektriskais spēks. Pēc brīža kustības brīvie elektroni saduras ar atomiem vara vadā. Bet brīvie elektroni vienmēr izjūt elektrisko spēku, tāpēc visi elektroni atkal tiek paātrināti. Tātad papildus nejaušai pārvietošanai dažādos virzienos visi brīvie elektroni arī lēnām pārvietojas kopā elektriskā spēka virzienā un pretējā virzienā elektriskajam laukam. Elektriskā lauka virziens ir no augsta elektriskā potenciāla uz zemu elektrisko potenciālu, savukārt elektroni pārvietojas no zema potenciāla uz augstu potenciālu. Katra brīvā elektrona nejaušajai kustībai ir ļoti liels ātrums, savukārt brīvo elektronu kustībai elektriskā spēka virzienā ir ļoti lēns ātrums. Šo brīvo elektronu kustību elektriskā spēka virzienā sauc arī par dreifa ātrumu.

Elektriskā strāva ir definēta kā elektriskā lādiņa plūsma caur vadītāja šķērsgriezumu noteiktā laika intervālā. Saskaņā ar vienošanos elektriskās strāvas virziens ir tāds pats kā pozitīvā lādiņa virziens. Šī vienošanās tika panākta, pirms bija zināms, ka vadītājā faktiski pārvietojas negatīvi lādētie brīvie elektroni. Elektronu kustības virziens vadītājā ir pretējs elektriskās strāvas virzienam. Tātad, ja mēs apspriežam strāvu, kas plūst vadītājā, tiek domāta pozitīvā lādiņa plūsma, ko sauc arī par parasto strāvu, jo tā ir vienošanās rezultāts.

Elektriskās strāvas vienādojums

Matemātiski elektriskās strāvas stiprumu izsaka ar vienādojumu:

I = ΔQ / Δt

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 ir franču fiziķa Andrē Marija Ampēra (1775–1836) vārds. 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 elektriskās strāvas tiek izteiktas ampēros, tās tiek izteiktas 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. parauga uzdevums:

Caur vadu 8 sekundes plūst 2 ampēru strāva. Nosakiet caur punktu izplūstošā lādiņa daudzumu un elektronu skaitu šajā lādiņā!

Zināms:

Elektriskā strāva (I) = 1 ampēri

Laika intervāls (t) = 2 sekundes

Vēlams: lādiņš (Q) un elektronu skaits (e)

Risinājums:

Elektriskās strāvas vienādojums:

I = Q/t

I = elektriskā strāva, Q = elektriskais lādiņš, t = laika intervāls

Elektriskais lādiņš:

Q = It = (2 ampēri)(8 sekundes) = 16 °C.

Viena elektrona lādiņš ir 1.6 x 10⁻⁹ ^Kulona , ​​tātad 16 Kulona lādiņā ir tikpat elektronu, cik 16C / 1.6 x 10⁻⁹ ^Kulona = 10 x ^10⁻¹ elektronos.

Elektriskā strāva, dreifēšanas ātrums un strāvas blīvums

Apskatiet pozitīvo lādiņu, kas pārvietojas pa labi ar ātrumu v elektriskā lauka E virzienā.

uz vadītāja, kura šķērsgriezuma laukums ir A. Pozitīvais lādiņš pārvietojas tik tālu, cik s = vt laika intervālā t.

Ja lādēto daļiņu skaits uz tilpumu (lādēto daļiņu blīvums) ir n un vadītāja tilpums ir A s = A vt,

tad lādēto daļiņu skaits vadītāja tilpumā ir n A v t. Ja katrai lādētajai daļiņai ir lādiņš q, tad lādiņa daudzums, kas iziet cauri vadītāja galam intervālā t, ir Q = nq A v t. Tātad elektriskā strāva, kas plūst caur vadītāja galu, ir I = Q / t = nq A v. Savukārt strāvas blīvums jeb strāva uz šķērsgriezuma laukumu A ir J = I / A = nq v.

Var secināt, ka vadītājā plūstošā strāva ir lādēto daļiņu blīvuma (n) reizinājuma produkts,

katras daļiņas lādiņa lielums (q), vadītāja laukums (A) un lādēto daļiņu ātrums (v).

Izpētiet šādus jautājumu piemērus.

2. parauga uzdevums:

Vara vadā ar šķērsgriezuma laukumu 3 x 10⁻⁶ m² plūst nemainīga 10 ampēru strāva ^. Brīvo ^elektronu blīvums ir 8.4 x 10⁻² ^elektroni /m³ ^. Nosakiet brīvo elektronu dreifa ātrumu!

Zināms:

Elektriskā strāva (I) = 10 ampēri

Vadu šķērsgriezuma laukums (A) = 3 ^{x 10⁻⁶} m²

^{Brīvo elektronu blīvums (} n) = 8.4 x ^10⁻²⁸ m⁻³

Elektrona lādiņš (q) = 1.6 x ^10⁻⁹ C

Vēlams: brīvā elektrona dreifa ātrums (v)

Risinājums:

Elektronu ātrumu aprēķina, izmantojot iepriekš atvasinātu formulu:

I = elektriskā strāva, n = lādēto daļiņu blīvums = elektronu blīvums, q = viens 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 līdz pat 0.248 milimetriem. Tas ir ļoti mazs ātrums. Ja brīvo elektronu kustība ir ļoti lēna, kāpēc elektriskā gaisma ieslēdzas uzreiz pēc slēdža ieslēgšanas?

Lai to saprastu, elektroni vadītājā plūst līdzīgi kā ūdens plūsma šļūtenē. Ja šļūtene ir piepildīta ar ūdeni, tad, ja viens šļūtenes gals ir savienots ar krānu, ūdens nekavējoties izplūst no otra šļūtenes gala. Tāpat 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 sākt kustēties kopā tajā brīdī. Spuldzes vadā jau ir brīvie elektroni, tāpēc gaisma tajā brīdī ieslēdzas.

Problēmas un risinājumi

1. Vadā 2 minūtes plūst pastāvīga 10 A strāva. Cik liela daļa no lādiņa iziet cauri vadītājam jebkurā vietā?

Zināms:

Elektriskā strāva (I) = 10 A

Laika intervāls (t) = 2 minūtes = 2 x 60 sekundes = 120 sekundes

Meklē: Lādziņu (Q)

šķīdums:

Elektriskās strāvas vienādojums:

I = q/t

I = elektriskās strāvas stiprums, q = elektriskais lādiņš, t = laika intervāls

Elektriskais lādiņš:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. Gar ķēdes punktu 5 minūtes iet 60 C lādiņš. Kāda ir elektriskās strāvas stiprums?

Zināms:

Laika intervāls (t) = 5 minūtes = 5 x 60 sekundes = 300 sekundes

Elektriskais lādiņš (Q) = 60 °C

Vēlams: elektriskās strāvas stiprums (I)

šķīdums:

Elektriskā strāva:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 kuloni sekundē

I = 0.2 ampēri

3. Elektriskās strāvas mērvienība SI sistēmā ir…

Šķīdums

Kuloni sekundē

Kuloni/sekundes, kam dots īpašs nosaukums — ampērs.