Definisjon av elektrisk strøm
Inne i en leder som kobber finnes det elektroner som beveger seg fritt og tilfeldig med høye hastigheter, men som ikke slipper ut fra metallet. Elektroner som kan bevege seg fritt kalles frie elektroner. Selv om elektroner beveger seg fritt i alle retninger, er det ingen netto strøm av elektroner i noen bestemt retning. Denne tilstanden oppstår når det ikke er noen potensialforskjell mellom de to endene av kobbertråden.
Når ledningen er koblet til en strømkilde, oppstår det en potensialforskjell mellom de to endene av kobberledningen, og dermed skapes et elektrisk felt i kobberledningen. elektrisk felt forårsaker opplevelsen av frie elektroner elektrisk kraft F = q E = e E, hvor F = elektrisk kraft, e = elektronladning, E = elektrisk feltDen elektriske kraften får alle fritt bevegelige elektroner til å oppleve en felles akselerasjon i samme retning som den elektriske kraften.
Disse frie elektronene, som beveger seg sammen, befinner seg mellom de stasjonære atomene i kobbertråden, noe som fører til at alle elektronene kolliderer med disse atomene. Disse kollisjonene fører til at de frie elektronene endrer bevegelsesretning. Alle disse elektronene er konstant utsatt for en elektrisk kraft, som får dem til å akselerere i samme retning som den elektriske kraften. Etter å ha beveget seg et øyeblikk, kolliderer de frie elektronene igjen med atomene i kobbertråden. De frie elektronene er imidlertid alltid utsatt for en elektrisk kraft, som får alle elektronene til å akselerere igjen.
Så, i tillegg til å bevege seg tilfeldig i forskjellige retninger, beveger alle frie elektroner seg også sakte sammen i retning av den elektriske kraften og i motsatt retning av det elektriske feltet. Retningen til det elektriske feltet er fra høyt elektrisk potensial til lavt elektrisk potensial, mens elektronene beveger seg fra lavt potensial til høyt potensial. Den tilfeldige bevegelsen til hvert fritt elektron har en veldig rask hastighet, mens den kollektive bevegelsen til de frie elektronene i retning av den elektriske kraften har en veldig langsom hastighet. Denne kollektive bevegelsen til de frie elektronene i retning av den elektriske kraften kalles også drifthastighet.
Elektrisk strøm er definert som strømmen av elektrisk ladning som passerer gjennom et tverrsnitt av en leder over et visst tidsintervall. I følge konvensjonen er retningen på den elektriske strømmen den samme som bevegelsesretningen til den positive ladningen. Denne avtalen ble inngått før det var kjent at det som faktisk beveger seg i en leder er frie elektroner med en negativ elektrisk ladning. Retningen på elektronbevegelsen i en leder er motsatt av retningen på den elektriske strømmen. Derfor, når man diskuterer strømmen som flyter i en leder, menes det strømmen av positiv ladning, også kjent som konvensjonell strøm fordi det er et resultat av denne avtalen.
Formel for elektrisk strøm
Matematisk uttrykkes elektrisk strøm ved ligningen:
I = ΔQ / Δt
Formelbeskrivelse: I = elektrisk strøm, ΔQ = mengde elektrisk ladning, Δt = tidsintervall.
Enhet for elektrisk strøm
Enheten for elektrisk ladning er Coulomb, tidsenheten er sekund, så enheten for elektrisk strøm er Coulomb/sekund. Coulomb/sekund kalles også Ampere, navnet til den franske fysikeren André Marie Ampere (1775–1836). 1 ampere = 1 coulomb/sekund (1 A = 1 C/s). Med andre ord er en elektrisk strøm på 1 ampere lik en elektrisk ladning på 1 coulomb som passerer gjennom et tverrsnittsareal av en ledning i 1 sekund. I tillegg til å uttrykkes i ampere, uttrykkes elektrisk strøm også i milliampere (1 mA = 10-3 A), mikroampere (1 μA = 10-6 A), nanoampere (1 nA = 10-9 A) eller pikoampere (1 pA = 10-12 EN).
Eksempelspørsmål 1:
En strøm på 2 ampere flyter gjennom en ledning i 8 sekunder. Bestem størrelsen på ladningen som passerer gjennom et punkt og antall elektroner i den ladningen!
Diskusjon
Det er kjent at:
Elektrisk strøm (I) = 1 ampere
Tidsintervall (t) = 2 sekunder
Spurte: ladning (Q) og antall elektroner (e)
Jawab:
Formel for elektrisk strøm:
Jeg = Q/t
Formelbeskrivelse: I = elektrisk strøm, Q = elektrisk ladning, t = tidsintervall
Elektrisk ladning:
Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 Coulomb.
Ladningen til ett elektron er 1,6 x 10-19 Coulomb slik at en ladning på 16 Coulomb har 16 C / 1,6 x 10 elektroner-19 Coulomb = 10 x 1019 elektron.
Elektrisk strøm, drifthastighet og strømtetthet
Tenk deg en positiv ladning som beveger seg mot høyre med drifthastighet v i retning av et elektrisk felt E i en leder med tverrsnittsareal A. Den positive ladningen beveger seg en avstand s = vt i løpet av et tidsintervall t.
Hvis antallet ladede partikler per volum (tettheten av ladede partikler) er n og volumet av lederen er A s = A vt, er antallet ladede partikler i ledervolumet n A v t. Hvis hver ladet partikkel har en ladning på q, er mengden ladning som passerer gjennom enden av lederen i løpet av tidsintervallet t Q = nq A v t. Så den elektriske strømmen som flyter gjennom enden av lederen er I = Q/t = nq A v. Mens strømtettheten eller strømmen per tverrsnittsareal A er J = I/A = nq v. Det kan konkluderes med at strømmen som flyter i lederen er et resultat av multiplikasjonen av tettheten av ladede partikler (n), størrelsen på ladningen til hver partikkel (q), tverrsnittsarealet av lederen (A) og drifthastigheten til de ladede partiklene (v).
Studer følgende eksempelproblem for å forstå forskjellen mellom hastigheten til hver ladede partikkel og drifthastigheten til alle ladede partikler.
Eksempelspørsmål 2:
En konstant strøm på 10 ampere flyter gjennom en kobbertråd med et tverrsnittsareal på 3 x 10-6 m2Den frie elektrontettheten er 8,4 x 1028 elektroner/m3Bestem drifthastigheten til de frie elektronene!
Diskusjon
Det er kjent at:
Elektrisk strøm (I) = 10 ampere
Trådens tverrsnittsareal (A) = 3 x 10-6 m2
Fri elektrontetthet (n) = 8,4 x 1028 m-3
Elektronladning (q) = 1,6 x 10-19 C
Spurte: Driftshastighet for frie elektroner (v)
Jawab:
Elektronenes hastighet beregnes ved hjelp av den tidligere utledede formelen:
Beskrivelse: I = elektrisk strøm, n = tetthet av ladede partikler = tetthet av frie elektroner, q = ladning av ett elektron, A = lederens tverrsnittsareal, v = elektrondriftshastighet
Elektrondriftshastigheten er 0,248 x 10-3 meter/sekund = 0,248 millimeter/sekund.
Frie elektroner beveger seg sammen i en ledning med en hastighet på 0,248 millimeter per sekund. Med andre ord, hvert sekund beveger alle de frie elektronene seg 0,248 millimeter. Dette er en veldig lav hastighet. Hvis bevegelsen av frie elektroner er så langsom, hvorfor slår et elektrisk lys seg på umiddelbart etter at bryteren er slått på?
For å forstå dette, bør man vurdere elektronstrømmen i en leder, slik som vannstrømmen i en slange. Hvis slangen er fylt med vann, og den ene enden av slangen er koblet til en kran, vil vannet umiddelbart renne ut i den andre enden. På samme måte finnes det frie elektroner i kobbertråden og ledningen til en lyspære. Når bryteren slås på, genereres et elektrisk felt med en hastighet som nærmer seg lysets hastighet (lyshastighet = 3 x 108 meter/sekund), noe som fører til at de frie elektronene begynner å bevege seg sammen i det øyeblikket. Det er allerede frie elektroner i lyspærens ledning, så lyset slås på i det øyeblikket.
