Цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолт
Зэс гэх мэт дамжуулагчийн дотор өндөр хурдтайгаар чөлөөтэй, санамсаргүй байдлаар хөдөлдөг боловч металлаас зугтдаггүй электронууд байдаг. Чөлөөтэй хөдөлж чаддаг электронуудыг чөлөөт электрон гэж нэрлэдэг. Электронууд бүх чиглэлд чөлөөтэй хөдөлдөг ч тодорхой чиглэлд электронуудын цэвэр урсгал байдаггүй. Энэ нөхцөл байдал нь зэс утасны хоёр үзүүрийн хооронд потенциалын зөрүү байхгүй үед үүсдэг.
Утсыг цахилгаан эх үүсвэрт холбоход зэс утасны хоёр үзүүрийн хооронд потенциалын зөрүү үүсч, улмаар зэс утсанд цахилгаан орон үүсдэг. Цахилгаан орон байгаа нь чөлөөт электронуудад F = q E = e E цахилгаан хүчийг мэдрэхэд хүргэдэг бөгөөд энд F = цахилгаан хүч, e = электрон цэнэг, E = цахилгаан орон . Цахилгаан хүч нь чөлөөтэй хөдөлж буй бүх электронуудад цахилгаан хүчний чиглэлд нийтлэг хурдатгал өгөхөд хүргэдэг.
Эдгээр чөлөөт электронууд хамтдаа хөдөлж, зэс утсан дахь хөдөлгөөнгүй атомуудын хооронд байрладаг бөгөөд бүх электронууд эдгээр атомуудтай мөргөлдөхөд хүргэдэг. Эдгээр мөргөлдөөн нь чөлөөт электронуудыг хөдөлгөөний чиглэлээ өөрчлөхөд хүргэдэг. Эдгээр бүх электронууд цахилгаан хүчний нөлөөнд байнга өртөж, цахилгаан хүчний чиглэлд хурдасдаг. Хэсэг хугацаанд хөдөлсний дараа чөлөөт электронууд зэс утсан дахь атомуудтай дахин мөргөлддөг. Гэсэн хэдий ч чөлөөт электронууд үргэлж цахилгаан хүчний нөлөөнд өртөж, бүх электронууд дахин хурдасдаг.
Тиймээс янз бүрийн чиглэлд санамсаргүй байдлаар хөдлөхөөс гадна бүх чөлөөт электронууд цахилгаан хүчний чиглэлд болон цахилгаан орны эсрэг чиглэлд удаан хөдөлдөг. Цахилгаан орны чиглэл нь өндөр цахилгаан потенциалаас бага цахилгаан потенциал руу, харин электронууд бага потенциалаас өндөр потенциал руу шилждэг. Чөлөөт электрон бүрийн санамсаргүй хөдөлгөөн маш хурдан хурдтай байдаг бол цахилгаан хүчний чиглэлд чөлөөт электронуудын хамтын хөдөлгөөн маш удаан хурдтай байдаг. Цахилгаан хүчний чиглэлд чөлөөт электронуудын энэхүү хамтын хөдөлгөөнийг мөн шилжилтийн хурд гэж нэрлэдэг.
Цахилгаан гүйдэл гэдэг нь дамжуулагчийн хөндлөн огтлолоор тодорхой хугацааны интервалд цахилгаан цэнэгийн урсгал гэж тодорхойлогддог . Конвенцийн дагуу цахилгаан гүйдлийн чиглэл нь эерэг цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэлтэй ижил байна. Энэхүү тохиролцоог дамжуулагч дотор бодитоор хөдөлж буй зүйл нь чөлөөт, сөрөг цэнэгтэй электронууд гэдгийг мэдэхээс өмнө хийсэн. Дамжуулагч доторх электроны хөдөлгөөний чиглэл нь цахилгаан гүйдлийн чиглэлийн эсрэг байна. Тиймээс дамжуулагч дотор урсаж буй гүйдлийн талаар ярихдаа эерэг цэнэгийн урсгалыг хэлж байгаа бөгөөд энэ нь энэхүү тохиролцооны үр дүн учраас уламжлалт гүйдэл гэж нэрлэгддэг.
Цахилгаан гүйдлийн томъёо
Математикийн хувьд цахилгаан гүйдлийг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлнэ.
I = ΔQ / Δt
Томъёоны тайлбар: I = цахилгаан гүйдэл, ΔQ = цахилгаан цэнэгийн хэмжээ, Δt = хугацааны интервал.
Цахилгаан гүйдлийн нэгж
Цахилгаан цэнэгийн нэгж нь Кулон, цаг хугацааны нэгж нь секунд тул цахилгаан гүйдлийн нэгж нь Кулон/секунд юм. Кулон/секундыг мөн Ампер гэж нэрлэдэг бөгөөд Францын физикч Андре Мари Ампер (1775-1836)-ийн нэрээр нэрлэгдсэн. 1 Ампер = 1 Кулон/секунд (1 А = 1 Кл/с). Өөрөөр хэлбэл, 1 Амперын цахилгаан гүйдэл нь утасны хөндлөн огтлолын талбайгаар 1 секундын турш өнгөрөх 1 Кулоны цахилгаан цэнэгтэй тэнцүү юм. Ампераар илэрхийлэхээс гадна цахилгаан гүйдлийг миллиампер (1 мА = 10 -3 А), микроампер (1 мкА = 10 -6 А), наноампер (1 нА = 10 -9 А) эсвэл пикоампер (1 пА = 10 -12 А)-аар илэрхийлдэг.
Жишээ асуулт 1:
2 Амперийн гүйдэл утсаар 8 секундын турш урсдаг. Цэгээр дамжин өнгөрөх цэнэгийн хэмжээ болон уг цэнэг дэх электронуудын тоог тодорхойл!
Хэлэлцүүлэг
Энэ нь мэдэгдэж байгаа зүйл:
Цахилгаан гүйдэл (I) = 1 Ампер
Хугацааны интервал (t) = 2 секунд
Асуусан: цэнэг (Q) ба электронуудын тоо (e)
Хариулт:
Цахилгаан гүйдлийн томъёо:
I = Q/t
Томъёоны тайлбар: I = цахилгаан гүйдэл, Q = цахилгаан цэнэг, t = хугацааны интервал
Цахилгаан цэнэг:
Q = I t = (2 Ампер)(8 секунд) = 16 Кулон.
Нэг электроны цэнэг нь 1,6 x 10 -19 Кулон тул 16 Кулонын цэнэг нь 16 C / 1,6 x 10 -19 Кулон = 10 x 10 19 электронтой тэнцүү электронтой.
Цахилгаан гүйдэл, шилжилтийн хурд ба гүйдлийн нягтрал
А хөндлөн огтлолын талбайтай дамжуулагчийн цахилгаан орны чиглэлд E цахилгаан орны чиглэлд v хурдтайгаар баруун тийш хөдөлж буй эерэг цэнэг гэж үзье. Эерэг цэнэг нь t хугацааны интервалд s = vt зайд хөдөлдөг.
Хэрэв эзэлхүүн дэх цэнэгтэй бөөмсийн тоо (цэнэгтэй бөөмсийн нягтрал) n, дамжуулагчийн эзэлхүүн нь A s = A vt бол дамжуулагчийн эзэлхүүн дэх цэнэгтэй бөөмсийн тоо n A v t байна. Хэрэв цэнэгтэй бөөм бүр q цэнэгтэй бол t хугацааны интервалд дамжуулагчийн үзүүрээр дамжин өнгөрөх цэнэгийн хэмжээ Q = nq A v t байна. Тиймээс дамжуулагчийн үзүүрээр урсах цахилгаан гүйдэл нь I = Q/t = nq A v байна. Харин А хөндлөн огтлолын талбай дахь гүйдлийн нягтрал буюу гүйдэл нь J = I/A = nq v байна. Дамжуулагчид урсах гүйдэл нь цэнэгтэй бөөмсийн нягтрал (n), бөөм бүрийн цэнэгийн хэмжээ (q), дамжуулагчийн хөндлөн огтлолын талбай (A) болон цэнэгтэй бөөмсийн шилжилтийн хурд (v)-ийн үржвэрийн үр дүн гэж дүгнэж болно.
Цэнэглэгдсэн бөөм бүрийн хурд болон бүх цэнэглэгдсэн бөөмсийн шилжилтийн хурдны зөрүүг ойлгохын тулд дараах жишээ бодлогыг судална уу.
Жишээ асуулт 2:
3 x 10 хөндлөн огтлолын талбайтай зэс утсан дээр 10 Амперын тогтмол гүйдэл урсдаг-6 m2Чөлөөт электроны нягтрал нь 8,4 x 1028 электрон/м3Чөлөөт электронуудын шилжилтийн хурдыг тодорхойл!
Хэлэлцүүлэг
Энэ нь мэдэгдэж байгаа зүйл:
Цахилгаан гүйдэл (I) = 10 Ампер
Утасны хөндлөн огтлолын талбай (A) = 3 x 10-6 m2
Чөлөөт электрон нягтрал (n) = 8,4 x 1028 m-3
Электроны цэнэг (q) = 1,6 x 10-19 C
Асуусан: Чөлөөт электроны шилжилтийн хурд (v)
Хариулт:
Электронуудын хурдыг өмнө нь гаргаж авсан томъёогоор тооцоолно:
Тайлбар: I = цахилгаан гүйдэл, n = цэнэглэгдсэн бөөмсийн нягтрал = чөлөөт электронуудын нягтрал, q = нэг электроны цэнэг, A = дамжуулагчийн хөндлөн огтлолын талбай, v = электроны шилжилтийн хурд
Электроны шилжилтийн хурд нь 0,248 x 10 -3 метр/секунд = 0,248 миллиметр/секунд байна.
Чөлөөт электронууд утсан дотор секундэд 0,248 миллиметр хурдтайгаар хамтдаа хөдөлдөг. Өөрөөр хэлбэл, секунд тутамд бүх чөлөөт электронууд 0,248 миллиметр хөдөлдөг. Энэ бол маш удаан хурд юм. Хэрэв чөлөөт электронуудын хөдөлгөөн маш удаан байвал унтраалга ассаны дараа цахилгаан гэрэл яагаад шууд асдаг вэ?
Үүнийг ойлгохын тулд дамжуулагч дахь электронуудын урсгалыг хоолой дахь усны урсгал гэж авч үзье. Хэрэв хоолойг усаар дүүргэсэн бол хоолойн нэг үзүүрийг цорготой холбосон бол нөгөө үзүүрээс ус шууд урсах болно. Үүнтэй адил зэс утас болон гэрлийн чийдэнгийн утсанд чөлөөт электронууд байдаг. Шилжүүлэгчийг асаахад гэрлийн хурдад ойртох хурдтай цахилгаан орон үүсдэг (гэрлийн хурд = 3 x 108 метр /секунд), энэ нь чөлөөт электронуудыг шууд хамтдаа хөдөлгөж эхлэхэд хүргэдэг. Гэрлийн чийдэнгийн утсанд аль хэдийн чөлөөт электронууд байгаа тул гэрлийн чийдэн тэр даруй асдаг.
