Definisi Arus elektrik
Dalam konduktor seperti kuprum, terdapat elektron yang bergerak secara rawak pada kelajuan tinggi dengan bebas tetapi tidak terlepas dari logam. Elektron yang boleh bergerak bebas dipanggil elektron bebas. Walaupun elektron bergerak bebas ke semua arah, tiada aliran elektron sepenuhnya dalam 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, supaya medan elektrik muncul di dalam wayar kuprum. Kewujudan 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 ini menyebabkan semua elektron yang bergerak bebas memecut bersama-sama, yang merupakan arah yang sama dengan daya elektrik.
Elektron bebas yang bergerak bersama berada di antara atom-atom yang kekal dalam dawai kuprum supaya semua elektron berlanggar dengan atom-atom tersebut. Perlanggaran tersebut menyebabkan arah elektron bebas berubah. Semua elektron ini sentiasa mengalami daya elektrik supaya semua elektron dipecutkan ke arah yang sama dengan arah daya elektrik. Selepas bergerak seketika, elektron bebas berlanggar dengan atom dalam dawai kuprum. Tetapi elektron bebas sentiasa mengalami daya elektrik supaya semua elektron dipecutkan semula. Jadi, selain bergerak secara rawak dalam pelbagai arah, semua elektron bebas juga bergerak perlahan bersama-sama ke arah daya elektrik dan ke arah yang bertentangan dengan medan elektrik. Arah medan elektrik adalah dari potensi elektrik yang tinggi ke potensi elektrik yang rendah, manakala elektron bergerak dari potensi rendah ke potensi tinggi. Gerakan rawak setiap elektron bebas mempunyai kelajuan yang sangat pantas, manakala gerakan dengan elektron bebas ke arah daya elektrik mempunyai kelajuan yang sangat perlahan. Gerakan dengan elektron bebas ke arah daya elektrik ini juga dipanggil kelajuan hanyutan.
Arus elektrik ditakrifkan sebagai aliran cas elektrik melalui keratan rentas konduktor dalam selang masa tertentu. Selaras dengan persetujuan tersebut, arah arus elektrik adalah sama dengan arah 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. Jadi jika kita membincangkan arus yang mengalir dalam konduktor, apa yang dimaksudkan ialah aliran cas positif, yang juga dipanggil arus konvensional kerana ia adalah hasil daripada persetujuan.
Persamaan arus elektrik
Secara matematik, arus elektrik dinyatakan oleh persamaan:
I = ΔQ / Δt
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, nama 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 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 masalah 1:
Arus 2 Ampere mengalir melalui wayar selama 8 saat. Tentukan jumlah cas yang melalui satu titik dan bilangan elektron dalam cas tersebut!
Diketahui:
Arus elektrik (I) = 1 Ampere
Selang masa (t) = 2 saat
Dikehendaki: cas (Q) dan bilangan elektron (e)
penyelesaian:
Persamaan arus elektrik:
I = Q/t
I = arus elektrik, Q = cas elektrik, t = selang masa
Cas elektrik:
Q = I t = (2 Ampere)(8 saat) = 16 C.
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, kelajuan hanyutan dan ketumpatan arus
Semak semula cas positif yang bergerak ke kanan dengan laju, hanyut v ke arah medan elektrik E
pada konduktor yang mempunyai luas keratan rentas A. Cas positif bergerak sejauh 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 nA vt. Jika setiap zarah bercas mempunyai cas q, maka jumlah cas yang melalui hujung konduktor semasa selang t ialah Q = nqA vt. Jadi, arus elektrik yang mengalir melalui hujung konduktor ialah I = Q / t = nqA vt. Manakala ketumpatan arus atau arus setiap luas keratan rentas A ialah J = I / A = nqv.
Dapat disimpulkan bahawa arus yang mengalir dalam konduktor adalah hasil darab pendaraban ketumpatan zarah bercas (n),
jumlah cas bagi setiap zarah (q), luas konduktor (A) dan halaju zarah yang dicas (v).
Kaji contoh soalan berikut.
Contoh masalah 2:
Arus malar 10 ampere mengalir dalam dawai kuprum dengan luas keratan rentas 3 x 10 -6 m² . Ketumpatan elektron bebas ialah 8.4 x 10 = 28 elektron /m² . Tentukan laju hanyutan elektron bebas!
Diketahui:
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
Dikehendaki: Kelajuan hanyutan elektron bebas (v)
penyelesaian:
Kelajuan elektron dikira menggunakan formula yang telah diperoleh sebelum ini:
I = arus elektrik, n = ketumpatan zarah bercas = ketumpatan elektron, q = cas satu elektron, A = luas keratan rentas konduktor, v = halaju 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 sejauh 0.248 milimeter. Ini adalah kelajuan yang sangat perlahan. Jika pergerakan elektron bebas sangat perlahan, mengapakah lampu elektrik terus menyala selepas suis dihidupkan?
Untuk memahami perkara ini, elektron mengalir dalam konduktor seperti aliran air di dalam hos. Jika hos diisi dengan air, maka jika satu hujung hos disambungkan ke paip, air akan segera mengalir keluar dari satu hujung hos yang lain. Begitu juga, terdapat elektron bebas dalam wayar kuprum dan wayar mentol lampu. Apabila suis dihidupkan, medan elektrik timbul dengan kelajuan menghampiri kelajuan cahaya (kelajuan cahaya = 3 x 108 meter /saat), yang menyebabkan elektron bebas mula bergerak bersama pada saat itu. Terdapat elektron bebas dalam wayar mentol lampu supaya lampu menyala pada saat itu juga.
Masalah dan jalan penyelesaian
1. Arus stabil 10 A wujud dalam dawai selama 2 minit. Berapakah jumlah cas yang melalui konduktor di mana-mana lokasi.
Diketahui:
Arus elektrik (I) = 10 A
Selang masa (t) = 2 minit = 2 x 60 saat = 120 saat
Dikehendaki: Cas (Q)
Penyelesaian:
Persamaan arus elektrik:
I = q/t
I = arus elektrik, q = cas elektrik, t = selang masa
Cas elektrik:
Q = It = (10)(120) = 1200 C
2. Cas 60 C melalui satu titik dalam litar selama 5 minit. Berapakah arus elektrik?
Diketahui:
Selang masa (t) = 5 minit = 5 x 60 saat = 300 saat
Cas elektrik (Q) = 60 C
Dikehendaki: Arus elektrik (I)
Penyelesaian:
Arus elektrik:
I = Q/t
I = 60/300
I = 0.2 Coulomb/saat
I = 0.2 Ampere
3. Unit arus elektrik dalam sistem SI ialah…
Penyelesaian
Coulomb/saat
Coulomb/saat, diberi nama khas, Ampere.
