Definizzjoni ta' kurrent elettriku
Ġewwa konduttur bħar-ram, hemm elettroni li jiċċaqalqu liberament u b'mod każwali b'veloċitajiet għoljin iżda ma jaħarbux mill-metall. L-elettroni li jistgħu jiċċaqalqu liberament jissejħu elettroni ħielsa. Għalkemm l-elettroni jiċċaqalqu liberament fid-direzzjonijiet kollha, ma jkun hemm l-ebda fluss nett ta' elettroni f'xi direzzjoni partikolari. Din il-kundizzjoni sseħħ meta ma jkun hemm l-ebda differenza potenzjali bejn iż-żewġt itruf tal-wajer tar-ram.
Meta l-wajer ikun imqabbad ma' sors elettriku, tinħoloq differenza potenzjali bejn iż-żewġt itruf tal-wajer tar-ram, u b'hekk jinħoloq kamp elettriku fil-wajer tar-ram. Il-preżenza ta' kamp elettriku tikkawża li l-elettroni ħielsa jesperjenzaw forza elettrika F = q E = e E, fejn F = forza elettrika, e = ċarġ tal-elettroni, E = kamp elettriku . Il-forza elettrika tikkawża li l-elettroni kollha li jiċċaqalqu liberament jesperjenzaw aċċelerazzjoni komuni fl-istess direzzjoni bħall-forza elettrika.
Dawn l-elettroni ħielsa, li jiċċaqalqu flimkien, jinsabu bejn l-atomi stazzjonarji fil-wajer tar-ram, u jikkawżaw li l-elettroni kollha jaħbtu ma' dawn l-atomi. Dawn il-ħabtiet jikkawżaw li l-elettroni ħielsa jibdlu d-direzzjoni tal-moviment tagħhom. Dawn l-elettroni kollha huma kontinwament soġġetti għal forza elettrika, u dan iwassalhom biex jaċċelleraw fl-istess direzzjoni tal-forza elettrika. Wara li jiċċaqalqu għal mument, l-elettroni ħielsa jerġgħu jaħbtu mal-atomi fil-wajer tar-ram. Madankollu, l-elettroni ħielsa huma dejjem soġġetti għal forza elettrika, u dan iwassal biex l-elettroni kollha jerġgħu jaċċelleraw.
Għalhekk, minbarra li jiċċaqalqu b'mod każwali f'diversi direzzjonijiet, l-elettroni ħielsa kollha jiċċaqalqu wkoll flimkien bil-mod fid-direzzjoni tal-forza elettrika u fid-direzzjoni opposta tal-kamp elettriku. Id-direzzjoni tal-kamp elettriku hija minn potenzjal elettriku għoli għal potenzjal elettriku baxx, filwaqt li l-elettroni jiċċaqalqu minn potenzjal baxx għal potenzjal għoli. Il-moviment każwali ta' kull elettron ħieles għandu veloċità mgħaġġla ħafna, filwaqt li l-moviment kollettiv tal-elettroni ħielsa fid-direzzjoni tal-forza elettrika għandu veloċità bil-mod ħafna. Dan il-moviment kollettiv tal-elettroni ħielsa fid-direzzjoni tal-forza elettrika jissejjaħ ukoll veloċità tad-drift.
Il-kurrent elettriku huwa definit bħala l-fluss ta' ċarġ elettriku minn ġo sezzjoni trasversali ta' konduttur fuq intervall ta' ħin speċifiku. B'konvenzjoni, id-direzzjoni tal-kurrent elettriku hija l-istess bħad-direzzjoni tal-moviment ta' ċarġ pożittiv. Dan il-ftehim sar qabel ma kien magħruf li dak li fil-fatt jiċċaqlaq f'konduttur huma elettroni ħielsa u ċċarġjati b'mod negattiv. Id-direzzjoni tal-moviment tal-elettroni f'konduttur hija opposta għad-direzzjoni tal-kurrent elettriku. Għalhekk, meta niddiskutu l-kurrent li jiċċirkola f'konduttur, dak li jfisser huwa l-fluss ta' ċarġ pożittiv, magħruf ukoll bħala kurrent konvenzjonali għaliex huwa r-riżultat ta' dan il-ftehim.
Formula tal-kurrent elettriku
Matematikament, il-kurrent elettriku huwa espress bl-ekwazzjoni:
I = ΔQ / Δt
Deskrizzjoni tal-formula: I = kurrent elettriku, ΔQ = ammont ta' ċarġ elettriku, Δt = intervall ta' ħin.
Unità tal-kurrent elettriku
L-unità taċ-ċarġ elettriku hija l-Coulomb, l-unità tal-ħin hija s-sekonda, għalhekk l-unità tal-kurrent elettriku hija l-Coulomb/sekonda. Coulomb/sekonda jissejjaħ ukoll Ampere , imsemmi għall-fiżiku Franċiż, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/sekonda (1 A = 1 C/s). Fi kliem ieħor, kurrent elettriku ta' 1 Ampere huwa ugwali għal ċarġ elettriku ta' 1 Coulomb li jgħaddi minn żona trasversali ta' wajer għal sekonda. Minbarra li jiġi espress f'Amperes, il-kurrent elettriku jiġi espress ukoll f'milliampere (1 mA = 10-3 A ), mikroampere (1 μA = 10-6 A ), nanoampere (1 nA = 10-9 A ) jew pikoamperes (1 pA = 10-12 A ).
Eżempju ta' mistoqsija 1:
Kurrent ta' 2 Amperes jgħaddi minn wajer għal 8 sekondi. Iddetermina l-kobor taċ-ċarġ li jgħaddi minn punt u n-numru ta' elettroni f'dak iċ-ċarġ!
Diskussjoni
Huwa magħruf li:
Kurrent elettriku (I) = 1 Ampere
Intervall ta' ħin (t) = 2 sekondi
Mistoqsi: ċarġ (Q) u numru ta' elettroni (e)
Tweġiba:
Formula tal-kurrent elettriku:
I = Q/t
Deskrizzjoni tal-formula: I = kurrent elettriku, Q = ċarġ elettriku, t = intervall ta' ħin
Ċarġ elettriku:
Q = It = (2 Ampere)(8 sekondi) = 16 Coulombs.
Iċ-ċarġ ta' elettron wieħed huwa 1,6 x 10 -19 Coulombs, għalhekk ċarġ ta' 16-il Coulomb għandu elettroni daqs 16-il C / 1,6 x 10 -19 Coulombs = 10 x 10 19 elettroni.
Kurrent elettriku, veloċità tad-drift u densità tal-kurrent
Ikkunsidra ċarġ pożittiv li jiċċaqlaq lejn il-lemin b'veloċità ta' moviment v fid-direzzjoni ta' kamp elettriku E f'konduttur b'erja trasversali A. Iċ-ċarġ pożittiv jiċċaqlaq distanza s = vt matul intervall ta' ħin t.
Jekk in-numru ta' partiċelli ċċarġjati għal kull volum (densità tal-partiċelli ċċarġjati) huwa n u l-volum tal-konduttur huwa A s = A vt, allura n-numru ta' partiċelli ċċarġjati fil-volum tal-konduttur huwa n A v t. Jekk kull partiċella ċċarġjata għandha ċarġ ta' q allura l-ammont ta' ċarġ li jgħaddi mit-tarf tal-konduttur matul l-intervall ta' ħin t huwa Q = nq A v t. Għalhekk il-kurrent elettriku li jgħaddi mit-tarf tal-konduttur huwa I = Q/t = nq A v. Filwaqt li d-densità tal-kurrent jew il-kurrent għal kull erja trasversali A hija J = I/A = nq v. Jista' jiġi konkluż li l-kurrent li jiċċirkola fil-konduttur huwa r-riżultat tal-multiplikazzjoni tad-densità tal-partiċelli ċċarġjati (n), il-kobor taċ-ċarġ ta' kull partiċella (q), l-erja trasversali tal-konduttur (A) u l-veloċità tad-drift tal-partiċelli ċċarġjati (v).
Studja l-problema ta' eżempju li ġejja biex tifhem id-differenza bejn il-veloċità ta' kull partiċella ċċarġjata u l-veloċità tad-drift tal-partiċelli ċċarġjati kollha.
Eżempju ta' mistoqsija 2:
Kurrent kostanti ta' 10 Amperes jiċċirkola f'wajer tar-ram b'erja trasversali ta' 3 x 10-6 m2Id-densità tal-elettroni ħielsa hija 8,4 x 1028 elettroni/m3Iddetermina l-veloċità tad-drift tal-elettroni ħielsa!
Diskussjoni
Huwa magħruf li:
Kurrent elettriku (I) = 10 Ampere
Żona trasversali tal-wajer (A) = 3 x 10-6 m2
Densità tal-elettroni ħielsa (n) = 8,4 x 1028 m-3
Ċarġ tal-elettroni (q) = 1,6 x 10-19 C
Mistoqsi: Veloċità tad-drift tal-elettroni ħielsa (v)
Tweġiba:
Il-veloċità tal-elettroni hija kkalkulata bl-użu tal-formula derivata qabel:
Deskrizzjoni: I = kurrent elettriku, n = densità ta' partiċelli ċċarġjati = densità ta' elettroni ħielsa, q = ċarġ ta' elettron wieħed, A = erja trasversali tal-konduttur, v = veloċità tad-drift tal-elettroni
Il-veloċità tad-drift tal-elettroni hija 0,248 x 10 -3 metri/sekonda = 0,248 millimetri/sekonda.
L-elettroni ħielsa jiċċaqalqu flimkien f'wajer b'veloċità ta' 0,248 millimetri kull sekonda. Fi kliem ieħor, kull sekonda l-elettroni ħielsa kollha jiċċaqalqu 0,248 millimetri. Din hija veloċità bil-mod ħafna. Jekk il-moviment tal-elettroni ħielsa huwa daqshekk bil-mod, għaliex dawl elettriku jixgħel immedjatament wara li jinxtegħel is-swiċċ?
Biex tifhem dan, ikkunsidra l-fluss ta' elettroni f'konduttur bħala l-fluss ta' ilma f'pajp. Jekk il-pajp jimtela bl-ilma, allura jekk tarf wieħed tal-pajp ikun imqabbad ma' vit, l-ilma joħroġ immedjatament mit-tarf l-ieħor. Bl-istess mod, hemm elettroni ħielsa fil-wajer tar-ram u fil-wajer tal-bozza tad-dawl. Meta s-swiċċ jinxtegħel, jiġi ġġenerat kamp elettriku b'veloċità li toqrob lejn il-veloċità tad-dawl (veloċità tad-dawl = 3 x 108 metri /sekonda), li jikkawża li l-elettroni ħielsa jibdew jiċċaqalqu flimkien immedjatament. Diġà hemm elettroni ħielsa fil-wajer tal-bozza tad-dawl, għalhekk il-bozza tad-dawl tixgħel immedjatament.
