Elektrische stroom

Definitie van elektrische stroom

In een geleider zoals koper bevinden zich elektronen die zich vrij en willekeurig met hoge snelheden bewegen, maar niet uit het metaal ontsnappen. Elektronen die zich vrij kunnen bewegen, worden vrije elektronen genoemd. Hoewel elektronen zich vrij in alle richtingen bewegen, is er geen netto stroom van elektronen in een bepaalde richting. Deze situatie doet zich voor wanneer er geen potentiaalverschil is tussen de twee uiteinden van de koperdraad.

Wanneer de draad is aangesloten op een elektrische bron, ontstaat er een potentiaalverschil tussen de twee uiteinden van de koperdraad, waardoor een elektrisch veld in de koperdraad ontstaat. De aanwezigheid van een elektrisch veld zorgt ervoor dat vrije elektronen een elektrische kracht ondervinden F = q E = e E, waarbij F = elektrische kracht, e = elektronlading en E = elektrisch veld . De elektrische kracht zorgt ervoor dat alle vrij bewegende elektronen een gemeenschappelijke versnelling ondervinden in dezelfde richting als de elektrische kracht.

Deze vrije elektronen, die samen bewegen, bevinden zich tussen de stilstaande atomen in de koperdraad, waardoor alle elektronen met deze atomen botsen. Deze botsingen zorgen ervoor dat de vrije elektronen van bewegingsrichting veranderen. Al deze elektronen worden constant blootgesteld aan een elektrische kracht, waardoor ze in dezelfde richting als de elektrische kracht versnellen. Na een moment botsen de vrije elektronen opnieuw met de atomen in de koperdraad. De vrije elektronen worden echter steeds blootgesteld aan een elektrische kracht, waardoor ze allemaal weer versnellen.

Naast hun willekeurige beweging in verschillende richtingen, bewegen alle vrije elektronen ook samen langzaam in de richting van de elektrische kracht en in de tegenovergestelde richting van het elektrische veld. De richting van het elektrische veld loopt van een hoge naar een lage elektrische potentiaal, terwijl de elektronen van een lage naar een hoge potentiaal bewegen. De willekeurige beweging van elk vrij elektron is zeer snel, terwijl de collectieve beweging van de vrije elektronen in de richting van de elektrische kracht zeer langzaam is. Deze collectieve beweging van de vrije elektronen in de richting van de elektrische kracht wordt ook wel driftsnelheid genoemd.

Elektrische stroom wordt gedefinieerd als de stroom van elektrische lading door een dwarsdoorsnede van een geleider gedurende een specifiek tijdsinterval. Volgens conventie is de richting van de elektrische stroom gelijk aan de bewegingsrichting van positieve ladingen. Deze afspraak werd gemaakt voordat bekend was dat wat zich in een geleider voortbeweegt, vrije, negatief geladen elektronen zijn. De bewegingsrichting van elektronen in een geleider is tegengesteld aan de richting van de elektrische stroom. Daarom wordt bij het spreken over de stroom die door een geleider vloeit, de stroom van positieve ladingen bedoeld, ook wel conventionele stroom genoemd, omdat dit het resultaat is van deze afspraak.

Formule voor elektrische stroom

Wiskundig gezien wordt elektrische stroom uitgedrukt door de volgende vergelijking:
I = ΔQ / Δt
Formulebeschrijving: I = elektrische stroom, ΔQ = hoeveelheid elektrische lading, Δt = tijdsinterval.

Eenheid van elektrische stroom

De eenheid van elektrische lading is de coulomb, de eenheid van tijd is de seconde, dus de eenheid van elektrische stroom is de coulomb/seconde. Coulomb/seconde wordt ook wel ampère genoemd , naar de Franse natuurkundige André Marie Ampère (1775-1836). 1 ampère = 1 coulomb/seconde (1 A = 1 C/s). Met andere woorden, een elektrische stroom van 1 ampère is gelijk aan een elektrische lading van 1 coulomb die gedurende 1 seconde door een doorsnede van een draad stroomt. Naast ampère wordt elektrische stroom ook uitgedrukt in milliampère (1 mA = 10⁻³ ^A ), microampère (1 μA = ^10⁻⁶ A), nanoampère (1 nA = ^10⁻⁹ A) of picoampère (1 pA = ^10⁻¹² A).

Voorbeeldvraag 1:

Een stroom van 2 ampère loopt gedurende 8 seconden door een draad. Bepaal de grootte van de lading die door een punt gaat en het aantal elektronen in die lading!
Discussie
Het is bekend dat:
Elektrische stroom (I) = 1 Ampère
Tijdsinterval (t) = 2 seconde
Gevraagd: lading (Q) en aantal elektronen (e)
Antwoord :
Formule voor elektrische stroom:
ik = Q/t
Formulebeschrijving: I = elektrische stroom, Q = elektrische lading, t = tijdsinterval
Elektrische lading:
Q = I t = (2 Ampère)(8 seconden) = 16 Coulomb.

De lading van één elektron is 1,6 x 10⁻¹⁹ ^Coulomb , dus een lading van 16 Coulomb heeft evenveel elektronen als 16 C / 1,6 x ^10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x ^10¹⁹ elektronen.

Elektrische stroom, driftsnelheid en stroomdichtheid

Beschouw een positieve lading die met driftsnelheid v naar rechts beweegt in de richting van een elektrisch veld E in een geleider met dwarsdoorsnede A. De positieve lading legt een afstand s = vt af gedurende een tijdsinterval t.

Als het aantal geladen deeltjes per volume (geladen deeltjesdichtheid) n is en het volume van de geleider A_s = A_vt, dan is het aantal geladen deeltjes in het volume van de geleider n_Avt. Als elk geladen deeltje een lading q heeft, dan is de hoeveelheid lading die gedurende het tijdsinterval t door het uiteinde van de geleider stroomt Q = nq_Avt. De elektrische stroom die door het uiteinde van de geleider vloeit is dus I = Q/t = nq_Avt. De stroomdichtheid, of stroom per dwarsdoorsnedeoppervlak A, is J = I/A = nq^v. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de stroom die door de geleider vloeit het resultaat is van de vermenigvuldiging van de dichtheid van geladen deeltjes (n), de grootte van de lading van elk deeltje (q), het dwarsdoorsnedeoppervlak van de geleider (A) en de voortplantingssnelheid van de geladen deeltjes (v).

Bestudeer het volgende voorbeeld om het verschil te begrijpen tussen de snelheid van elk geladen deeltje en de driftsnelheid van alle geladen deeltjes.

Voorbeeldvraag 2:

Een constante stroom van 10 Ampère loopt door een koperdraad met een doorsnede van 3 x 10.^-6 m²De dichtheid van vrije elektronen bedraagt ​​8,4 x 10⁶.²⁸ elektronen/m³Bepaal de driftsnelheid van de vrije elektronen!
Discussie
Het is bekend dat:
Elektrische stroom (I) = 10 Ampère
Draaddoorsnedeoppervlakte (A) = 3 x 10^-6 m²
Vrije elektronendichtheid (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronlading (q) = 1,6 x 10^-19 C
Gevraagd: Driftsnelheid van vrije elektronen (v)
Antwoord :
De snelheid van elektronen wordt berekend met behulp van de eerder afgeleide formule:

Beschrijving: I = elektrische stroom, n = dichtheid van geladen deeltjes = dichtheid van vrije elektronen, q = lading van één elektron, A = dwarsdoorsnede van de geleider, v = driftsnelheid van het elektron

De driftsnelheid van elektronen is 0,248 x 10⁻³ ^meter /seconde = 0,248 millimeter/seconde.

Vrije elektronen bewegen zich in een draad met een snelheid van 0,248 millimeter per seconde. Met andere woorden, elke seconde bewegen alle vrije elektronen 0,248 millimeter. Dit is een zeer lage snelheid. Als de beweging van vrije elektronen zo langzaam is, waarom gaat een elektrische lamp dan meteen aan als de schakelaar wordt omgezet?

Om dit te begrijpen, kun je de stroom van elektronen in een geleider vergelijken met de waterstroom in een tuinslang. Als de slang gevuld is met water en je sluit het ene uiteinde aan op een kraan, dan stroomt er direct water uit het andere uiteinde. Zo zijn er ook vrije elektronen in de koperdraad en de draad van de gloeilamp. Wanneer de schakelaar wordt aangezet, ontstaat er een elektrisch veld met een snelheid die de lichtsnelheid benadert (lichtsnelheid = 3 x 10⁸ ^meter /seconde), waardoor de vrije elektronen direct in beweging komen. Omdat er al vrije elektronen in de draad van de gloeilamp zitten, gaat de lamp meteen aan.