Definitie van elektrische stroom
In een geleider zoals koper bewegen elektronen zich willekeurig en met hoge snelheid vrij, maar ze ontsnappen niet uit het metaal. Elektronen die vrij kunnen bewegen worden vrije elektronen genoemd. Hoewel de elektronen zich vrij in alle richtingen bewegen, is er geen totale elektronenstroom 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 er een elektrisch veld in de draad ontstaat. Door dit elektrische veld ondervinden vrije elektronen een elektrische kracht F = qE = eE, waarbij F = elektrische kracht , e = elektronlading en E = elektrisch veld . Deze elektrische kracht zorgt ervoor dat alle vrij bewegende elektronen gezamenlijk versnellen, in dezelfde richting als de elektrische kracht.
De vrije elektronen die samen bewegen bevinden zich tussen de atomen in de koperdraad, waardoor ze botsen met de atomen. Door deze botsing verandert de richting van de vrije elektronen. Al deze elektronen ondervinden een elektrische kracht, waardoor ze allemaal in dezelfde richting worden versneld als de richting van de elektrische kracht. Na een korte tijd botsen de vrije elektronen opnieuw met atomen in de koperdraad. Maar ook hier ondervinden ze een elektrische kracht, waardoor ze weer worden versneld. Naast het willekeurig bewegen in verschillende richtingen, bewegen alle vrije elektronen dus ook langzaam samen 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 beweging van vrije elektronen in de richting van de elektrische kracht zeer langzaam is. Deze beweging van 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 bepaald tijdsinterval. Volgens deze afspraak is de richting van de elektrische stroom gelijk aan de richting van de positieve lading. Deze afspraak werd gemaakt voordat bekend was dat wat zich in een geleider voortbeweegt, de negatief geladen vrije elektronen zijn. De bewegingsrichting van elektronen in de geleider is tegengesteld aan de richting van de elektrische stroom. Dus als we het hebben over de stroom die door een geleider vloeit, bedoelen we de stroom van positieve lading, die ook wel conventionele stroom wordt genoemd omdat deze het resultaat is van een afspraak.
De vergelijking van elektrische stroom
Wiskundig gezien wordt elektrische stroom uitgedrukt door de volgende vergelijking:
I = Δ Q / Δt
I = elektrische stroom, ΔQ = hoeveelheid elektrische lading, Δt = tijdsinterval.
Eenheid van elektrische stroom
De eenheid van elektrische lading is Coulomb, de eenheid van tijd is seconde, dus de eenheid van elektrische stroom is 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).
Voorbeeldopgave 1:
Er loopt een stroom van 2 ampère door de draad gedurende 8 seconden. Bepaal de hoeveelheid lading die door een punt gaat en het aantal elektronen in die lading!
Bekend:
Elektrische stroom (I) = 1 Ampère
Tijdsinterval (t) = 2 seconden
Gevraagd: lading (Q) en aantal elektronen (e)
Oplossing:
Vergelijking van elektrische stroom:
ik = Q/t
I = elektrische stroom, Q = elektrische lading, t = tijdsinterval
Elektrische lading:
Q = I t = (2 Ampère)(8 seconden) = 16 C.
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
Bekijk de positieve lading die met snelheid v naar rechts beweegt in de richting van het elektrische veld E.
Op een geleider met een dwarsdoorsnede A beweegt een positieve lading over een afstand van s = vt gedurende het tijdsinterval t.
Als het aantal geladen deeltjes per volume (dichtheid van geladen deeltjes) n is en het volume van de geleider A s = A vt is,
Het aantal geladen deeltjes in het volume van de geleider is dan n A v t. 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 A v t. De elektrische stroom die door het uiteinde van de geleider vloeit is dus I = Q / t = nq A v. De stroomdichtheid, oftewel de stroom per dwarsdoorsnede A, is J = I / A = nq v.
Hieruit kan worden geconcludeerd dat de stroom die door de geleider vloeit het product is van de vermenigvuldiging van de dichtheid van de geladen deeltjes (n).
de hoeveelheid lading van elk deeltje (q), het oppervlak van de geleider (A) en de snelheid van de geladen deeltjes (v).
Bestudeer de volgende voorbeeldvragen.
Voorbeeldopgave 2:
Een constante stroom van 10 ampère loopt door een koperdraad met een doorsnede van 3 x 10⁻⁶ m² . De dichtheid van vrije elektronen is 8.4 x 10²⁸ elektronen/m³ . Bepaal de driftsnelheid van de vrije elektronen!
Bekend:
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: Snelheid van de vrije elektronendrift (v)
Oplossing:
De snelheid van elektronen wordt berekend met behulp van een formule die al eerder is afgeleid:
I = elektrische stroom, n = dichtheid van geladen deeltjes = elektronendichtheid, q = lading van één elektron, A = dwarsdoorsnede van de geleider, v = snelheid van de elektronendrift
De snelheid waarmee elektronen zich voortbewegen 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 leggen alle vrije elektronen samen een afstand van 0.248 millimeter af. Dit is een zeer lage snelheid. Als de beweging van vrije elektronen zo langzaam is, waarom gaat het elektrische licht dan meteen aan nadat de schakelaar is omgezet?
Om dit te begrijpen, kun je elektronen in een geleider laten stromen zoals water door een tuinslang stroomt. Als de slang gevuld is met water en je sluit het ene uiteinde aan op de kraan, stroomt het water er direct aan het andere uiteinde weer uit. Zo zijn er ook vrije elektronen in de koperdraad en de draad van een 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 op dat moment in beweging komen. Er zijn al vrije elektronen in de draad van de gloeilamp, waardoor het licht op dat moment brandt.
Problemen en oplossingen
1. Er loopt gedurende 2 minuten een constante stroom van 10 A door een draad. Hoeveel lading gaat er op een willekeurige plek door de geleider?
Bekend:
Elektrische stroom (I) = 10 A
Tijdsinterval (t) = 2 minuten = 2 x 60 seconden = 120 seconden
Gezocht: Aanklacht (Q)
oplossing:
Vergelijking van de elektrische stroom:
I = q/t
I = de elektrische stroomsterkte, q = de elektrische lading, t = het tijdsinterval
De elektrische lading:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Een lading van 60 C passeert gedurende 5 minuten een punt in het circuit. Wat is de elektrische stroomsterkte?
Bekend:
Het tijdsinterval (t) = 5 minuten = 5 x 60 seconden = 300 seconden
De elektrische lading (Q) = 60 C
Gevraagd: De elektrische stroom (I)
oplossing:
De elektrische stroom:
ik = Q/t
ik = 60 / 300
I = 0.2 Coulomb/seconde
I = 0.2 Ampère
3. De eenheid van elektrische stroom in het SI-stelsel is…
Het resultaat
Coulomb/seconde
Coulombseconden, met een speciale naam: de Ampère.
