Definisjon av elektrisk strøm
I en leder som kobber finnes det elektroner som beveger seg tilfeldig fritt med høy hastighet, men som ikke slipper ut fra metallet. Elektroner som kan bevege seg fritt kalles frie elektroner. Selv om elektronene beveger seg fritt i alle retninger, er det ingen total strøm av elektroner i en bestemt retning. Denne tilstanden oppstår når det ikke er noen potensialforskjell mellom de to endene av kobbertråden.
Når ledningen er koblet til en elektrisk kilde, oppstår det en potensialforskjell mellom de to endene av kobberledningen, slik at det oppstår et elektrisk felt inni kobberledningen. Eksistensen av et elektrisk felt fører til at frie elektroner opplever den elektriske kraften F = q E = e E, hvor F = elektrisk kraft , e = elektronladning, E = elektrisk felt . Denne elektriske kraften fører til at alle elektronene som beveger seg fritt akselererer sammen, som er i samme retning som den elektriske kraften.
De frie elektronene som beveger seg sammen er mellom atomene som er igjen i kobbertråden, slik at alle elektronene kolliderer med atomene. Kollisjonen fører til at retningen til de frie elektronene endres. Alle disse elektronene opplever alltid en elektrisk kraft, slik at alle elektronene akselereres i samme retning som retningen til den elektriske kraften. Etter å ha beveget seg et øyeblikk, kolliderer frie elektroner med atomer i kobbertråd. Men frie elektroner opplever alltid en elektrisk kraft, slik at alle elektronene akselereres 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 et høyt elektrisk potensial til et lavt elektrisk potensial, mens elektronene beveger seg fra et lavt potensial til et høyt potensial. Den tilfeldige bevegelsen til hvert fritt elektron har en veldig rask hastighet, mens bevegelsen med frie elektroner i retning av den elektriske kraften har en veldig langsom hastighet. Denne bevegelsen med frie elektroner i retning av den elektriske kraften kalles også drifthastighet.
Elektrisk strøm er definert som strømmen av elektrisk ladning gjennom et tverrsnitt av en leder i løpet av et visst tidsintervall. I samsvar med avtalen er retningen på den elektriske strømmen den samme som retningen på den positive ladningen. Denne avtalen ble inngått før det var kjent at det som faktisk beveger seg i en leder er de negativt ladede frie elektronene. Bevegelsesretningen til elektronene i lederen er motsatt av retningen på den elektriske strømmen. Så hvis vi diskuterer strømmen som flyter i lederen, menes det strømmen av positiv ladning, som også kalles konvensjonell strøm fordi den er et resultat av en avtale.
Ligningen for elektrisk strøm
Matematisk uttrykkes elektrisk strøm ved ligningen:
I = ΔQ / Δt
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 elektriske strømmer også i milliampere (1 mA = 10⁻³ A ), mikroampere (1 μA = 10⁻³ A ), nanoampere (1 nA = 10⁻³ A) eller picoampere (1 pA = 10⁻¹² A).
Eksempelproblem 1:
En strøm på 2 ampere flyter gjennom ledningen i 8 sekunder. Bestem mengden ladning som passerer gjennom et punkt og antall elektroner i den ladningen!
Kjent:
Elektrisk strøm (I) = 1 ampere
Tidsintervall (t) = 2 sekunder
Ønsket: ladning (Q) og antall elektroner (e)
Løsning:
Ligning av elektrisk strøm:
Jeg = Q/t
I = elektrisk strøm, Q = elektrisk ladning, t = tidsintervall
Elektrisk ladning:
Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 °C.
Ladningen til ett elektron er 1.6 x 10⁻¹⁴ Coulomb , så ladningen på 16 Coulomb har like mange elektroner som 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁴ Coulomb = 10 x 10⁻¹⁴ elektroner.
Elektrisk strøm, drifthastighet og strømtetthet
Se på den positive ladningen som beveger seg mot høyre med hastigheten v, og driver i retning av det elektriske feltet E
på en leder som har et tverrsnittsareal A. Positiv ladning beveger seg så langt som s = vt i løpet av tidsintervallet t.
Hvis antallet ladede partikler per volum (tettheten av ladede partikler) er n og volumet til lederen er A s = A vt,
da er antallet ladede partikler i lederens volum n A v t. Hvis hver ladet partikkel har en ladning på q, er mengden ladning som passerer gjennom enden av lederen i intervallet t Q = nq A v t. Så den elektriske strømmen som flyter gjennom lederens spiss 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 produktet av multiplikasjonen av tettheten til de ladede partiklene (n),
mengden ladning for hver partikkel (q), lederens areal (A) og hastigheten til de ladede partiklene (v).
Studer følgende eksempelspørsmål.
Eksempelproblem 2:
En konstant strøm på 10 ampere flyter gjennom en kobbertråd med et tverrsnittsareal på 3 x 10⁻⁶ m² . Den frie elektrontettheten er 8.4 x 10⁻²8 elektroner/m³ . Bestem hastigheten på den frie elektrondriften!
Kjent:
Elektrisk strøm (I) = 10 ampere
Tverrsnittsareal av ledning (A) = 3 x 10⁻⁶ m²
Fri elektrontetthet (n) = 8.4 x 10^ 28 m -3
Elektronladning (q) = 1.6 x 10⁻⁹ C
Ønsket: Hastighet på fri elektrondrift (v)
Løsning:
Elektronenes hastighet beregnes ved hjelp av en formel som er utledet tidligere:
I = elektrisk strøm, n = tetthet av ladede partikler = elektrontetthet, q = én elektronladning, A = tverrsnittsarealet til lederen, v = hastigheten på elektrondriften
Elektrondriftens hastighet 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 eneste sekund beveger alle frie elektroner seg så langt som 0.248 millimeter. Dette er en veldig lav hastighet. Hvis bevegelsen av frie elektroner er veldig langsom, hvorfor slår det elektriske lyset seg på umiddelbart etter at bryteren er slått på?
For å forstå dette, flyter elektroner i lederen slik vannstrømmen flyter inni slangen. Hvis slangen er fylt med vann, og den ene enden av slangen er koblet til kranen, strømmer vannet umiddelbart ut fra den ene enden av den andre slangen. På samme måte er det frie elektroner i kobbertråden og lyspæretråden. Når bryteren slås på, oppstår et elektrisk felt med en hastighet som nærmer seg lysets hastighet (lyshastighet = 3 x 10⁶ meter /sekund), noe som fører til at frie elektroner begynner å bevege seg sammen i det øyeblikket. Det er allerede frie elektroner i lyspæretråden, slik at lyset er på i det øyeblikket.
Problemer og løsninger
1. En jevn strøm på 10 A er i en ledning i 2 minutter. Hvor mye av ladningen som passerer gjennom lederen på et hvilket som helst sted.
Kjent:
Elektrisk strøm (I) = 10 A
Tidsintervall (t) = 2 minutter = 2 x 60 sekunder = 120 sekunder
Ønskes: Ladning (Q)
løsning:
Ligning for elektrisk strøm:
I = q/t
I = den elektriske strømmen, q = den elektriske ladningen, t = tidsintervallet
Den elektriske ladningen:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. 60 C ladning passerer forbi et punkt i kretsen i 5 minutter. Hva er den elektriske strømmen?
Kjent:
Tidsintervallet (t) = 5 minutter = 5 x 60 sekunder = 300 sekunder
Den elektriske ladningen (Q) = 60 C
Ønskes: Den elektriske strømmen (I)
løsning:
Den elektriske strømmen:
Jeg = Q/t
Jeg = 60 300 XNUMX / XNUMX
I = 0.2 Coulomb/sekund
I = 0.2 ampere
3. Enheten for elektrisk strøm i SI-systemet er…
Oppløsning
Coulomb/sekund
Coulomb/sekunder, gitt et spesielt navn, ampere.
