Дефиниција на електрична струја
Внатре во спроводник како бакар, има електрони кои се движат слободно и случајно со големи брзини, но не избегаат од металот. Електроните кои можат слободно да се движат се нарекуваат слободни електрони. Иако електроните се движат слободно во сите насоки, нема нето проток на електрони во која било одредена насока. Оваа состојба се јавува кога нема потенцијална разлика помеѓу двата краја на бакарната жица.
Кога жицата е поврзана со електричен извор, се јавува потенцијална разлика помеѓу двата краја на бакарната жица, со што се создава електрично поле во бакарната жица. Присуството на електрично поле предизвикува слободните електрони да доживеат електрична сила F = q E = e E, каде што F = електрична сила, e = електронски полнеж, E = електрично поле . Електричната сила предизвикува сите слободно движечки електрони да доживеат заедничко забрзување во иста насока како и електричната сила.
Овие слободни електрони, движејќи се заедно, се наоѓаат помеѓу стационарните атоми во бакарната жица, предизвикувајќи сите електрони да се судрат со овие атоми. Овие судири предизвикуваат слободните електрони да ја променат својата насока на движење. Сите овие електрони се постојано подложени на електрична сила, предизвикувајќи тие да забрзуваат во иста насока како и електричната сила. Откако ќе се поместат за момент, слободните електрони повторно се судираат со атомите во бакарната жица. Сепак, слободните електрони секогаш се подложени на електрична сила, предизвикувајќи сите електрони повторно да забрзуваат.
Значи, покрај тоа што се движат случајно во различни насоки, сите слободни електрони се движат заедно бавно во насока на електричната сила и во спротивна насока на електричното поле. Насоката на електричното поле е од висок електричен потенцијал кон низок електричен потенцијал, додека електроните се движат од низок потенцијал кон висок потенцијал. Случајното движење на секој слободен електрон има многу голема брзина, додека колективното движење на слободните електрони во насока на електричната сила има многу мала брзина. Ова колективно движење на слободните електрони во насока на електричната сила се нарекува и брзина на дрифт.
Електричната струја е дефинирана како проток на електричен полнеж низ пресек на проводник во одреден временски интервал. Според конвенцијата, насоката на електричната струја е иста како и насоката на движење на позитивните полнежи. Овој договор бил постигнат пред да се знае дека она што всушност се движи во проводник се слободни, негативно наелектризирани електрони. Насоката на движење на електроните во проводник е спротивна од насоката на електричната струја. Затоа, кога се дискутира за струјата што тече во проводник, се подразбира проток на позитивни полнежи, позната и како конвенционална струја бидејќи е резултат на овој договор.
Формула за електрична струја
Математички, електричната струја се изразува со равенката:
I = ΔQ / Δt
Опис на формулата: I = електрична струја, ΔQ = количина на електричен полнеж, Δt = временски интервал.
Единица за електрична струја
Единицата за електричен полнеж е Кулон, единицата за време е секунда, па затоа единицата за електрична струја е Кулон/секунда. Кулон/секунда се нарекува и Ампер , именуван по францускиот физичар Андре Мари Ампер (1775-1836). 1 Ампер = 1 Кулон/секунда (1 A = 1 C/s). Со други зборови, електрична струја од 1 Ампер е еднаква на електричен полнеж од 1 Кулон што минува низ напречен пресек на жица во текот на 1 секунда. Освен што се изразува во ампери, електричната струја се изразува и во милиампери (1 mA = 10-3 A ), микроампери (1 μA = 10-6 A ), наноампери (1 nA = 10-9 A ) или пикоампери (1 pA = 10-12 A ).
Пример прашање 1:
Струја од 2 ампери тече низ жица 8 секунди. Определете ја големината на полнежот што минува низ точка и бројот на електрони во тој полнеж!
Дискусија
Познато е дека:
Електрична струја (I) = 1 Ампер
Временски интервал (t) = 2 секунда
Праша: полнеж (Q) и број на електрони (e)
Одговор:
Формула за електрична струја:
I = Q/t
Опис на формулата: I = електрична струја, Q = електричен полнеж, t = временски интервал
Електричен полнеж:
Q = I t = (2 ампери)(8 секунди) = 16 Кулони.
Полнежот на еден електрон е 1,6 x 10 -19 Кулони, па затоа полнеж од 16 Кулони има толку електрони колку што има 16 C / 1,6 x 10 -19 Кулони = 10 x 10 19 електрони.
Електрична струја, брзина на поместување и густина на струјата
Да разгледаме позитивен полнеж кој се движи надесно со брзина на поместување v во насока на електрично поле E во спроводник со напречен пресек A. Позитивниот полнеж се движи на растојание s = vt во временски интервал t.
Ако бројот на наелектризирани честички по волумен (густина на наелектризирани честички) е n, а волуменот на спроводникот е A s = A vt, тогаш бројот на наелектризирани честички во волуменот на спроводникот е n A v t. Ако секоја наелектризирана честичка има полнеж од q, тогаш количината на полнеж што поминува низ крајот на спроводникот во временскиот интервал t е Q = nq A v t. Значи, електричната струја што тече низ крајот на спроводникот е I = Q/t = nq A v. Додека густината на струјата или струјата по напречен пресек A е J = I/A = nq v. Може да се заклучи дека струјата што тече во спроводникот е резултат на множење на густината на наелектризираните честички (n), големината на полнежот на секоја честичка (q), напречниот пресек на спроводникот (A) и брзината на поместување на наелектризираните честички (v).
Проучете го следниов примерен проблем за да ја разберете разликата помеѓу брзината на секоја наелектризирана честичка и брзината на дрифт на сите наелектризирани честички.
Пример прашање 2:
Константна струја од 10 ампери тече во бакарна жица со пресек од 3 x 10-6 m2Густината на слободните електрони е 8,4 x 1028 електрони/м3Определете ја брзината на дрифт на слободните електрони!
Дискусија
Познато е дека:
Електрична струја (I) = 10 Ампер
Пресечна површина на жицата (A) = 3 x 10-6 m2
Густина на слободни електрони (n) = 8,4 x 1028 m-3
Електронски полнеж (q) = 1,6 x 10-19 C
Праша: Брзина на поместување на слободни електрони (v)
Одговор:
Брзината на електроните се пресметува со користење на претходно изведената формула:
Опис: I = електрична струја, n = густина на наелектризирани честички = густина на слободни електрони, q = полнеж на еден електрон, A = пресек на проводникот, v = брзина на електронско поместување
Брзината на дрифт на електроните е 0,248 x 10 -3 метри/секунда = 0,248 милиметри/секунда.
Слободните електрони се движат заедно во жица со брзина од 0,248 милиметри во секунда. Со други зборови, секоја секунда сите слободни електрони се движат за 0,248 милиметри. Ова е многу мала брзина. Ако движењето на слободните електрони е толку бавно, зошто електричната светилка веднаш се вклучува кога прекинувачот е вклучен?
За да го разберете ова, земете го предвид протокот на електрони во проводник како проток на вода во црево. Ако цревото е исполнето со вода, тогаш ако едниот крај на цревото е поврзан со славина, водата веднаш ќе тече од другиот крај. Слично на тоа, има слободни електрони во бакарната жица и жицата на сијалицата. Кога прекинувачот е вклучен, се генерира електрично поле со брзина што се приближува до брзината на светлината (брзина на светлината = 3 x 108 метри /секунда), што предизвикува слободните електрони веднаш да почнат да се движат заедно. Веќе има слободни електрони во жицата на сијалицата, па сијалицата се вклучува веднаш.
