Takrif arus elektrik
Di dalam konduktor seperti kuprum, terdapat elektron yang bergerak bebas dan rawak pada kelajuan tinggi tetapi tidak terlepas dari logam. Elektron yang boleh bergerak bebas dipanggil elektron bebas. Walaupun elektron bergerak bebas ke semua arah, tiada aliran bersih elektron dalam sebarang arah tertentu. Keadaan ini berlaku apabila tiada perbezaan keupayaan antara kedua-dua hujung dawai kuprum.
Apabila wayar disambungkan kepada sumber elektrik, perbezaan keupayaan timbul antara kedua-dua hujung wayar kuprum, sekali gus mewujudkan medan elektrik dalam wayar kuprum. Kehadiran medan elektrik menyebabkan elektron bebas mengalami daya elektrik F = q E = e E, dengan F = daya elektrik, e = cas elektron, E = medan elektrik . Daya elektrik menyebabkan semua elektron yang bergerak bebas mengalami pecutan sepunya dalam arah yang sama dengan daya elektrik.
Elektron bebas ini, yang bergerak bersama, terletak di antara atom pegun dalam dawai kuprum, menyebabkan semua elektron berlanggar dengan atom-atom ini. Perlanggaran ini menyebabkan elektron bebas mengubah arah gerakannya. Semua elektron ini sentiasa tertakluk kepada daya elektrik, menyebabkannya memecut ke arah yang sama seperti daya elektrik. Selepas bergerak seketika, elektron bebas berlanggar lagi dengan atom-atom dalam dawai kuprum. Walau bagaimanapun, elektron bebas sentiasa tertakluk kepada daya elektrik, menyebabkan semua elektron memecut semula.
Jadi, selain bergerak secara rawak dalam pelbagai arah, semua elektron bebas juga bergerak bersama secara perlahan ke arah daya elektrik dan ke arah yang bertentangan dengan medan elektrik. Arah medan elektrik adalah dari potensi elektrik tinggi ke potensi elektrik rendah, manakala elektron bergerak dari potensi rendah ke potensi tinggi. Gerakan rawak setiap elektron bebas mempunyai kelajuan yang sangat pantas, manakala gerakan kolektif elektron bebas ke arah daya elektrik mempunyai kelajuan yang sangat perlahan. Gerakan kolektif elektron bebas ke arah daya elektrik ini juga dipanggil halaju hanyutan.
Arus elektrik ditakrifkan sebagai aliran cas elektrik melalui keratan rentas konduktor dalam selang masa tertentu. Mengikut konvensyen, arah arus elektrik adalah sama dengan arah gerakan cas positif. Persetujuan ini dibuat sebelum diketahui bahawa apa yang sebenarnya bergerak dalam konduktor ialah elektron bebas yang bercas negatif. Arah pergerakan elektron dalam konduktor adalah bertentangan dengan arah arus elektrik. Oleh itu, apabila membincangkan arus yang mengalir dalam konduktor, apa yang dimaksudkan ialah aliran cas positif, juga dikenali sebagai arus konvensional kerana ia adalah hasil daripada persetujuan ini.
Formula arus elektrik
Secara matematik, arus elektrik dinyatakan oleh persamaan:
I = ΔQ / Δt
Huraian formula: I = arus elektrik, ΔQ = jumlah cas elektrik, Δt = selang masa.
Unit arus elektrik
Unit cas elektrik ialah Coulomb, unit masa ialah saat, jadi unit arus elektrik ialah Coulomb/saat. Coulomb/saat juga dipanggil Ampere , dinamakan sempena ahli fizik Perancis, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/saat (1 A = 1 C/s). Dalam erti kata lain, arus elektrik 1 Ampere adalah bersamaan dengan cas elektrik 1 Coulomb yang melalui luas keratan rentas wayar selama 1 saat. Selain dinyatakan dalam Ampere, arus elektrik juga dinyatakan dalam miliampere (1 mA = 10 -3 A), mikroampere (1 μA = 10 -6 A), nanoampere (1 nA = 10 -9 A) atau pikoampere (1 pA = 10 -12 A).
Contoh soalan 1:
Arus 2 Ampere mengalir melalui dawai selama 8 saat. Tentukan magnitud cas yang melalui satu titik dan bilangan elektron dalam cas tersebut!
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Arus elektrik (I) = 1 Ampere
Selang masa (t) = 2 saat
Ditanya: cas (Q) dan bilangan elektron (e)
Jawapan:
Formula arus elektrik:
I = Q/t
Huraian formula: I = arus elektrik, Q = cas elektrik, t = selang masa
Cas elektrik:
Q = I t = (2 Ampere)(8 saat) = 16 Coulomb.
Cas satu elektron ialah 1,6 x 10 -19 Coulomb jadi cas 16 Coulomb mempunyai bilangan elektron yang sama dengan 16 C / 1,6 x 10 -19 Coulomb = 10 x 10 19 elektron.
Arus elektrik, halaju hanyutan dan ketumpatan arus
Pertimbangkan satu cas positif bergerak ke kanan dengan halaju hanyutan v dalam arah medan elektrik E dalam konduktor dengan luas keratan rentas A. Cas positif bergerak pada jarak s = vt semasa selang masa t.
Jika bilangan zarah bercas setiap isipadu (ketumpatan zarah bercas) ialah n dan isipadu konduktor ialah A s = A vt, maka bilangan zarah bercas dalam isipadu konduktor ialah n A v t. Jika setiap zarah bercas mempunyai cas q, maka jumlah cas yang melalui hujung konduktor semasa selang masa t ialah Q = nq A v t. Jadi arus elektrik yang mengalir melalui hujung konduktor ialah I = Q/t = nq A v t. Manakala ketumpatan arus atau arus setiap luas keratan rentas A ialah J = I/A = nq v. Dapat disimpulkan bahawa arus yang mengalir dalam konduktor adalah hasil pendaraban ketumpatan zarah bercas (n), magnitud cas setiap zarah (q), luas keratan rentas konduktor (A) dan kelajuan hanyutan zarah bercas (v).
Kaji contoh masalah berikut untuk memahami perbezaan antara kelajuan setiap zarah bercas dan kelajuan hanyutan semua zarah bercas.
Contoh soalan 2:
Arus malar 10 Ampere mengalir dalam dawai kuprum dengan luas keratan rentas 3 x 10-6 m2Ketumpatan elektron bebas ialah 8,4 x 1028 elektron/m3Tentukan laju hanyutan elektron bebas!
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Arus elektrik (I) = 10 Ampere
Luas keratan rentas dawai (A) = 3 x 10-6 m2
Ketumpatan elektron bebas (n) = 8,4 x 1028 m-3
Cas elektron (q) = 1,6 x 10-19 C
Ditanya: Kelajuan hanyutan elektron bebas (v)
Jawapan:
Kelajuan elektron dikira menggunakan formula yang diperoleh sebelum ini:
Penerangan: I = arus elektrik, n = ketumpatan zarah bercas = ketumpatan elektron bebas, q = cas satu elektron, A = luas keratan rentas konduktor, v = kelajuan hanyutan elektron
Kelajuan hanyutan elektron ialah 0,248 x 10 -3 meter/saat = 0,248 milimeter/saat.
Elektron bebas bergerak bersama dalam dawai pada kelajuan 0,248 milimeter sesaat. Dalam erti kata lain, setiap saat semua elektron bebas bergerak 0,248 milimeter. Ini adalah kelajuan yang sangat perlahan. Jika pergerakan elektron bebas begitu perlahan, mengapakah lampu elektrik terus menyala selepas suis dihidupkan?
Untuk memahami perkara ini, pertimbangkan aliran elektron dalam konduktor seperti aliran air dalam hos. Jika hos diisi dengan air, maka jika satu hujung hos disambungkan ke paip, air akan segera mengalir keluar dari hujung yang satu lagi. Begitu juga, terdapat elektron bebas dalam wayar kuprum dan wayar mentol lampu. Apabila suis dihidupkan, medan elektrik dijana dengan kelajuan yang menghampiri kelajuan cahaya (kelajuan cahaya = 3 x 108 meter /saat), yang menyebabkan elektron bebas segera mula bergerak bersama. Terdapat elektron bebas dalam wayar mentol lampu, jadi mentol lampu akan menyala serta-merta.
