Цахилгаан гүйдэл

Цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолт

Зэс гэх мэт дамжуулагч дотор өндөр хурдтайгаар санамсаргүй байдлаар чөлөөтэй хөдөлдөг боловч металлаас мултардаггүй электронууд байдаг. Чөлөөтэй хөдөлж чаддаг электронуудыг чөлөөт электрон гэж нэрлэдэг. Электронууд бүх чиглэлд чөлөөтэй хөдөлдөг ч тодорхой чиглэлд электронуудын нийт урсгал байдаггүй. Энэ нөхцөл байдал нь зэс утасны хоёр үзүүрийн хооронд потенциалын зөрүү байхгүй үед үүсдэг.

Утсыг цахилгааны эх үүсвэрт холбоход зэс утасны хоёр үзүүрийн хооронд потенциалын зөрүү үүсч, зэс утсан дотор 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 . Энэхүү цахилгаан хүч нь чөлөөтэй хөдөлж буй бүх электронуудыг хамтдаа хурдасгахад хүргэдэг бөгөөд энэ нь цахилгаан хүчний чиглэлтэй ижил юм.

Хамтдаа хөдөлдөг чөлөөт электронууд нь зэс утсан дотор үлдсэн атомуудын хооронд байрладаг тул бүх электронууд атомуудтай мөргөлддөг. Мөргөлдөөн нь чөлөөт электронуудын чиглэлийг өөрчлөхөд хүргэдэг. Эдгээр бүх электронууд үргэлж цахилгаан хүчийг мэдэрдэг тул бүх электронууд цахилгаан хүчний чиглэлтэй ижил чиглэлд хурдасдаг. Хэсэг хугацаанд хөдөлсний дараа чөлөөт электронууд зэс утсан доторх атомуудтай мөргөлддөг. Гэхдээ чөлөөт электронууд үргэлж цахилгаан хүчийг мэдэрдэг тул 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 электронуудтай хөдөлгөөн маш удаан хурдтай байдаг. Цахилгаан хүчний чиглэлд чөлөөт электронуудтай хөдөлгөөн хийх энэ хөдөлгөөнийг мөн дрифтийн хурд гэж нэрлэдэг.

Цахилгаан гүйдэл гэдэг нь тодорхой хугацааны интервалд дамжуулагчийн хөндлөн огтлолоор цахилгаан цэнэгийн урсгал гэж тодорхойлогддог. Гэрээний дагуу цахилгаан гүйдлийн чиглэл нь эерэг цэнэгийн чиглэлтэй ижил байна. Энэхүү гэрээг дамжуулагч дотор бодитоор хөдөлж буй зүйл нь сөрөг цэнэгтэй чөлөөт электронууд гэдгийг мэдэхээс өмнө хийсэн. Дамжуулагч доторх электронуудын хөдөлгөөний чиглэл нь цахилгаан гүйдлийн чиглэлийн эсрэг байна. Тиймээс хэрэв бид дамжуулагч дотор урсаж буй гүйдлийн талаар авч үзвэл эерэг цэнэгийн урсгал гэсэн үг бөгөөд үүнийг тохиролцооны үр дүн учраас уламжлалт гүйдэл гэж нэрлэдэг.

Цахилгаан гүйдлийн тэгшитгэл

Математикийн хувьд цахилгаан гүйдлийг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлнэ.

I = Δ Q / Δt

I = цахилгаан гүйдэл, ΔQ = цахилгаан цэнэгийн хэмжээ, Δt = хугацааны интервал.

Цахилгаан гүйдлийн нэгж

Цахилгаан цэнэгийн нэгж нь Кулон, цагийн нэгж нь секунд тул цахилгаан гүйдлийн нэгж нь Кулон/секунд юм. Кулон/секундыг мөн Ампер гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь Францын физикч Андре Мари Амперийн (1775-1836) нэр юм. 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 Кулонын цахилгаан цэнэгтэй тэнцүү юм. Ампераар илэрхийлэхээс гадна цахилгаан гүйдлийг миллиампер (1 мА = 10 ^-3 А), микроампер (1 μА = 10 ^-6 А), наноампер (1 nA = 10-9 А) эсвэл пикоампер (1 пА = 10 ^-12 А)-аар илэрхийлдэг.

Жишээ асуудал 1:

Утасаар 8 секундын турш 2 Амперийн гүйдэл урсдаг. Цэгээр дамжин өнгөрөх цэнэгийн хэмжээ болон уг цэнэг дэх электронуудын тоог тодорхойл!

Мэдэгдэж байгаа:

Цахилгаан гүйдэл (I) = 1 Ампер

Хугацааны интервал (t) = 2 секунд

Хүссэн: цэнэг (Q) ба электронуудын тоо (e)

Шийдэл:

Цахилгаан гүйдлийн тэгшитгэл:

I = Q/t

I = цахилгаан гүйдэл, Q = цахилгаан цэнэг, t = хугацааны интервал

Цахилгаан цэнэг:

Q = It = (2 Ампер)(8 секунд) = 16 C.

Нэг электроны цэнэг нь 1.6 x 10 ^{-19 Кулон тул 16 Кулоны цэнэг нь 16 C / 1.6 x 10 -19} Кулон = 10 x 10 ¹⁹ электронтой тэнцүү электронтой.

Цахилгаан гүйдэл, шилжилтийн хурд ба гүйдлийн нягтрал

Цахилгаан орны E чиглэлд v хурдтай баруун тийш хөдөлж буй эерэг цэнэгийг тоймло.

хөндлөн огтлолын талбай А бүхий дамжуулагч дээр. Эерэг цэнэг нь t хугацааны интервалд s = vt хүртэл хөдөлдөг.

Хэрэв эзэлхүүн дэх цэнэгтэй бөөмсийн тоо (цэнэгтэй бөөмсийн нягтрал) n бөгөөд дамжуулагчийн эзэлхүүн нь A s = A vt бол,

Тэгвэл дамжуулагчийн эзэлхүүн дэх цэнэгтэй бөөмсийн тоо n A v t байна. Хэрэв цэнэгтэй бөөм бүр q цэнэгтэй бол t 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.

Дамжуулагч дотор урсаж буй гүйдэл нь цэнэглэгдсэн бөөмсийн нягтралын (n) үржвэрийн үр дүн гэж дүгнэж болно,

бөөм бүрийн цэнэгийн хэмжээ (q), дамжуулагчийн талбай (A) болон цэнэглэгдсэн бөөмсийн хурд (v).

Дараах жишээ асуултуудыг судална уу.

Жишээ асуудал 2:

^{3 x 10 -6} м ² хөндлөн огтлолын талбайтай зэс утсанд 10 амперийн тогтмол гүйдэл урсаж байна . Чөлөөт электроны нягтрал нь 8.4 x 10 ²⁸ электрон/м ³ байна . Чөлөөт электроны шилжилтийн хурдыг тодорхойл!

Мэдэгдэж байгаа:

Цахилгаан гүйдэл (I) = 10 Ампер

Утасны хөндлөн огтлолын талбай (A) = 3 x 10 ^-6 м ²

Чөлөөт электроны нягтрал (n) = 8.4 x 10 ²⁸ м ^-3

Электроны цэнэг (q) = 1.6 x 10 ^-19 C

Хүссэн: Чөлөөт электроны шилжилтийн хурд (v)

Шийдэл:

Электронуудын хурдыг өмнө нь гаргаж авсан томъёогоор тооцоолно:

I = цахилгаан гүйдэл, n = цэнэглэгдсэн бөөмсийн нягтрал = электрон нягтрал, q = нэг электрон 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 хүртэл 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 электронууд нь хоолой доторх усны урсгал шиг дамжуулагч дотор урсдаг. Хэрэв хоолойг усаар дүүргэсэн бол хоолойн нэг үзүүрийг цорготой холбосон бол ус нөгөө хоолойн нэг үзүүрээс шууд урсдаг. Үүнтэй адил зэс утас болон гэрлийн чийдэнгийн утсанд чөлөөт электронууд байдаг. Шилжүүлэгчийг асаахад гэрлийн хурдад ойртох хурдтай цахилгаан орон үүсдэг (гэрлийн хурд = 3 x 10 ⁸ метр/секунд), энэ нь тухайн мөчид чөлөөт электронууд хамтдаа хөдөлж эхлэхэд хүргэдэг. Гэрлийн чийдэнгийн утсанд аль хэдийн чөлөөт электронууд байдаг тул гэрэл яг тэр мөчид асаалттай байдаг.

Асуудал ба шийдэл

1. Утасанд 2 минутын турш 10 А тогтмол гүйдэл байна. Аль ч цэгт цэнэгийн хэмжээний хэдэн хувь нь дамжуулагчаар дамждаг вэ?

Мэдэгдэж байгаа:

Цахилгаан гүйдэл (I) = 10 А

Хугацааны интервал (t) = 2 минут = 2 x 60 секунд = 120 секунд

Хайж буй: Цэрэг (Q)

Шийдэл:

Цахилгаан гүйдлийн тэгшитгэл:

I = q/t

I = цахилгаан гүйдэл, q = цахилгаан цэнэг, t = хугацааны интервал

Цахилгаан цэнэг:

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

2. Хэлхээний цэгийн хажуугаар 60 Кл цэнэг 5 минутын турш өнгөрнө. Цахилгаан гүйдэл хэд вэ?

Мэдэгдэж байгаа:

Хугацааны интервал (t) = 5 минут = 5 x 60 секунд = 300 секунд

Цахилгаан цэнэг (Q) = 60 C

Хүссэн зүйл: Цахилгаан гүйдэл (I)

Шийдэл:

Цахилгаан гүйдэл:

I = Q/t

I = 60 / 300

I = 0.2 Кулон/секунд

I = 0.2 Ампер

3. SI систем дэх цахилгаан гүйдлийн нэгж нь ...

шийдэл

Кулонб/секунд

Кулон/секундыг Ампер гэдэг тусгай нэрээр нэрлэдэг.