Дефиниција на електрична струја
Во спроводник како што е бакарот, има електрони кои се движат случајно со голема брзина слободно, 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 целосен проток на електрони во 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, така што во неа се појавува електрично поле. Постоењето на електрично поле предизвикува слободните електрони да ја искусат електричната сила F = q E = e E, каде што F = електрична сила , e = електронски полнеж, E = електрично поле . Оваа електрична сила предизвикува сите електрони што се движат слободно да се забрзаат заедно, што е во иста насока како и електричната сила.
Слободните електрони што се движат заедно се наоѓаат помеѓу атомите што остануваат во бакарната жица, така што сите електрони се судираат со атомите. Судирот предизвикува промена на насоката на слободните електрони. Сите овие електрони секогаш доживуваат електрична сила, така што сите електрони се забрзуваат во иста насока како и насоката на електричната сила. Откако ќе се поместат за момент, слободните електрони се судираат со атомите во бакарната жица. Но, слободните електрони секогаш доживуваат електрична сила, така што сите електрони повторно се забрзуваат. Значи, покрај тоа што се движат случајно во различни насоки, сите слободни електрони се движат и бавно заедно во насока на електричната сила и во спротивна насока од електричното поле. Насоката на електричното поле е од висок електричен потенцијал до низок електричен потенцијал, додека електроните се движат од низок потенцијал до висок потенцијал. Случајното движење на секој слободен електрон има многу голема брзина, додека движењето со слободни електрони во насока на електричната сила има многу мала брзина. Ова движење со слободни електрони во насока на електричната сила се нарекува и брзина на дрифт.
Електричната струја се дефинира како проток на електричен полнеж низ пресек на проводник во одреден временски интервал. Во согласност со договорот, насоката на електричната струја е иста како и насоката на позитивниот полнеж. Овој договор е постигнат пред да се знае дека она што всушност се движи во проводникот се негативно наелектризираните слободни електрони. Насоката на движење на електроните во проводникот е спротивна од насоката на електричната струја. Значи, ако разговараме за струјата што тече во проводникот, се подразбира проток на позитивен полнеж, кој се нарекува и конвенционална струја бидејќи е резултат на договор.
Равенката на електричната струја
Математички, електричната струја се изразува со равенката:
I = Δ Q / Δt
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, име на 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 поминува низ напречен пресек на жица 1 секунда. Освен што се изразуваат во ампери, електричните струи се изразуваат 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 за проблем 1:
Струја од 2 ампери тече низ жицата 8 секунди. Определете ја количината на полнеж што поминува низ точка и бројот на електрони во тој полнеж!
Познато:
Електрична струја (I) = 1 ампери
Временски интервал (t) = 2 секунди
Барани: полнеж (Q) и број на електрони (e)
решение:
Равенка на електрична струја:
I = Q/t
I = електрична струја, Q = електричен полнеж, t = временски интервал
Електричен полнеж:
Q = I t = (2 ампери)(8 секунди) = 16 C.
Полнежот на еден електрон е 1.6 x 10 -19 Кулони, па затоа полнежот 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
Прегледајте го позитивниот полнеж што се движи надесно со брзината, поместувајќи се v во насока на електричното поле E.
на спроводник кој има напречен пресек A. Позитивниот полнеж се движи до s = vt во временскиот интервал t.
Ако бројот на наелектризирани честички по волумен (густина на наелектризирани честички) е n и 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 минува низ крајот на спроводникот за време на интервалот t е Q = nq A v t. Значи, електричната струја што тече низ врвот 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 проводникот е производ на множењето на густината на наелектризираните честички (n),
количината на полнеж за секоја честичка (q), површината на проводникот (A) и брзината на наелектризираните честички (v).
Проучете ги следните примерни прашања.
Пример за проблем 2:
Константна струја од 10 ампери тече низ бакарна жица со пресек од 3 x 10-6 m2 . Густината на слободните електрони е 8.4 x 1028 електрони /m3 . Определете ја брзината на поместување на слободните електрони!
Познато:
Електрична струја (I) = 10 ампери
Пресечна површина на жицата (A) = 3 x 10 -6 m2
Густина на слободни електрони (n) = 8.4 x 10 28 m -3
Електронски полнеж (q) = 1.6 x 10 -19 C
Се бара: Брзина на дрифт на слободни електрони (v)
решение:
Брзината на електроните се пресметува со помош на формулата што е изведена претходно:
I = електрична струја, n = густина на наелектризирани честички = густина на електрони, q = еден електрон полнеж, A = пресек на проводникот, v = брзина на електронско поместување
Брзината на дрифт на електрони 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 до 0.248 милиметри. Ова е многу мала брзина. Ако движењето на слободните електрони е многу бавно, зошто електричното светло веднаш се вклучува откако ќе се вклучи прекинувачот?
За да се разбере ова, електроните течат во проводникот како протокот на вода во цревото. Ако цревото е исполнето со вода, тогаш ако едниот крај на цревото е поврзан со чешмата, водата веднаш тече од едниот крај на другото црево. Слично на тоа, има слободни електрони во бакарната жица и жицата на сијалицата. Кога прекинувачот е вклучен, се создава електрично поле со брзина што се приближува до брзината на светлината (брзина на светлината = 3 x 10 8 метри/секунда), што предизвикува слободните електрони да почнат да се движат заедно во тој момент. Веќе има слободни електрони во жицата на сијалицата, така што светлото е вклучено во тој момент.
Проблеми и решенија
1. Во жица постои постојана струја од 10 A во траење од 2 минути. Колку од количината на полнеж поминува низ проводникот на која било локација.
Познато:
Електрична струја (I) = 10 A
Временски интервал (t) = 2 минути = 2 x 60 секунди = 120 секунди
Барано: Полнење (Q)
Решение:
Равенка на електричната струја:
I = q/t
I = електричната струја, q = електричниот полнеж, t = временскиот интервал
Електричниот полнеж:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. 60 C полнеж поминува низ точка во колото 5 минути. Колку е електричната струја?
Познато:
Временскиот интервал (t) = 5 минути = 5 x 60 секунди = 300 секунди
Електричниот полнеж (Q) = 60 C
Се бара: Електрична струја (I)
Решение:
Електричната струја:
I = Q/t
Јас = 60 / 300
I = 0.2 Кулони/секунда
I = 0.2 ампери
3. Единицата за електрична струја во SI системот е…
Решение
Кулони/секунда
Кулони/секунди, со посебно име, ампер.
