Definicja prądu elektrycznego
Wewnątrz przewodnika, takiego jak miedź, znajdują się elektrony, które poruszają się swobodnie i chaotycznie z dużą prędkością, ale nie uciekają z metalu. Elektrony, które mogą się swobodnie poruszać, nazywane są elektronami swobodnymi. Chociaż elektrony poruszają się swobodnie we wszystkich kierunkach, nie występuje przepływ netto elektronów w żadnym konkretnym kierunku. Ten stan występuje, gdy nie ma różnicy potencjałów między dwoma końcami przewodu miedzianego.
Po podłączeniu przewodu do źródła prądu elektrycznego, między dwoma końcami przewodu miedzianego powstaje różnica potencjałów, co powoduje powstanie pola elektrycznego w przewodzie miedzianym. Obecność pola elektrycznego powoduje, że swobodne elektrony doświadczają siły elektrycznej F = q E = e E, gdzie F = siła elektryczna, e = ładunek elektronu, E = pole elektryczne . Siła elektryczna powoduje, że wszystkie swobodnie poruszające się elektrony doświadczają tego samego przyspieszenia w tym samym kierunku, co siła elektryczna.
Te swobodne elektrony, poruszające się razem, znajdują się pomiędzy nieruchomymi atomami w drucie miedzianym, powodując zderzenia wszystkich elektronów z tymi atomami. Zderzenia te powodują zmianę kierunku ruchu swobodnych elektronów. Wszystkie te elektrony są stale poddawane działaniu siły elektrycznej, która powoduje ich przyspieszenie w tym samym kierunku co siła elektryczna. Po chwili ruchu swobodne elektrony ponownie zderzają się z atomami w drucie miedzianym. Jednak swobodne elektrony są zawsze poddawane działaniu siły elektrycznej, która powoduje ponowne przyspieszenie wszystkich elektronów.
Zatem, oprócz chaotycznego ruchu w różnych kierunkach, wszystkie swobodne elektrony poruszają się również razem powoli w kierunku działania siły elektrycznej i w kierunku przeciwnym do pola elektrycznego. Pole elektryczne porusza się od wysokiego potencjału elektrycznego do niskiego, podczas gdy elektrony poruszają się od niskiego potencjału do wysokiego. Ruch chaotyczny każdego swobodnego elektronu charakteryzuje się bardzo dużą prędkością, podczas gdy zbiorowy ruch swobodnych elektronów w kierunku działania siły elektrycznej charakteryzuje się bardzo małą prędkością. Ten zbiorowy ruch swobodnych elektronów w kierunku działania siły elektrycznej nazywany jest również prędkością dryfu.
Prąd elektryczny definiuje się jako przepływ ładunku elektrycznego przez przekrój poprzeczny przewodnika w określonym przedziale czasu. Zgodnie z konwencją, kierunek prądu elektrycznego jest taki sam, jak kierunek ruchu ładunków dodatnich. Porozumienie to zostało zawarte, zanim jeszcze odkryto, że w przewodniku faktycznie poruszają się swobodne, ujemnie naładowane elektrony. Kierunek ruchu elektronów w przewodniku jest przeciwny do kierunku prądu elektrycznego. Dlatego, omawiając prąd płynący w przewodniku, mamy na myśli przepływ ładunków dodatnich, znany również jako prąd umowny, ponieważ jest on wynikiem tego porozumienia.
Wzór na prąd elektryczny
Matematycznie prąd elektryczny wyrażony jest następującym równaniem:
I = ΔQ / Δt
Opis wzoru: I = prąd elektryczny, ΔQ = ilość ładunku elektrycznego, Δt = przedział czasu.
Jednostka prądu elektrycznego
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, jednostką czasu jest sekunda, więc jednostką prądu elektrycznego jest kulomb/sekunda. Kulomb/sekunda jest również nazywany amperem , nazwanym na cześć francuskiego fizyka, André Marie Ampere (1775-1836). 1 amper = 1 kulomb/sekunda (1 A = 1 C/s). Innymi słowy, prąd elektryczny o natężeniu 1 ampera jest równy ładunkowi elektrycznemu o natężeniu 1 kulomba przepływającemu przez pole przekroju poprzecznego drutu przez 1 sekundę. Oprócz wyrażania w amperach, prąd elektryczny jest również wyrażany w miliamperach (1 mA = 10 -3 A), mikroamperach (1 μA = 10 -6 A), nanoamperach (1 nA = 10 -9 A) lub pikoamperach (1 pA = 10 -12 A).
Przykładowe pytanie 1:
Prąd o natężeniu 2 amperów płynie przez przewód przez 8 sekund. Określ wartość ładunku przepływającego przez punkt oraz liczbę elektronów w tym ładunku!
Pembahasan
Wiadomo, że:
Prąd elektryczny (I) = 1 amper
Przedział czasu (t) = 2 sekundy
Zapytano: ładunek (Q) i liczba elektronów (e)
Jawab:
Wzór na prąd elektryczny:
I = Q/t
Opis wzoru: I = prąd elektryczny, Q = ładunek elektryczny, t = przedział czasu
Ładunek elektryczny:
Q = I t = (2 ampery)(8 sekund) = 16 kulombów.
Ładunek jednego elektronu wynosi 1,6 x 10 -19 Kulombów, więc ładunek 16 Kulombów ma tyle samo elektronów co 16 C / 1,6 x 10 -19 Kulombów = 10 x 10 19 elektronów.
Prąd elektryczny, prędkość dryfu i gęstość prądu
Rozważmy ładunek dodatni poruszający się w prawo z prędkością dryfu v w kierunku pola elektrycznego E w przewodniku o przekroju poprzecznym A. Ładunek dodatni przemieszcza się na odległość s = vt w przedziale czasu t.
Jeśli liczba naładowanych cząstek na objętość (gęstość naładowanych cząstek) wynosi n, a objętość przewodnika wynosi A s = A vt, wówczas liczba naładowanych cząstek w objętości przewodnika wynosi n A v t. Jeśli każda naładowana cząstka ma ładunek q, wówczas ilość ładunku, która przepływa przez koniec przewodnika w przedziale czasu t, wynosi Q = nq A v t. Zatem prąd elektryczny płynący przez koniec przewodnika wynosi I = Q/t = nq A v. Podczas gdy gęstość prądu lub prąd na powierzchnię przekroju poprzecznego A wynosi J = I/A = nq v. Można wywnioskować, że prąd płynący w przewodniku jest wynikiem pomnożenia gęstości naładowanych cząstek (n), wartości ładunku każdej cząstki (q), powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika (A) i prędkości dryfu naładowanych cząstek (v).
Przeanalizuj poniższy przykładowy problem, aby zrozumieć różnicę między prędkością każdej naładowanej cząstki a prędkością dryfu wszystkich naładowanych cząstek.
Przykładowe pytanie 2:
Prąd stały o natężeniu 10 amperów płynie w przewodzie miedzianym o przekroju 3 x 10-6 m2Gęstość swobodnych elektronów wynosi 8,4 x 1028 elektrony/m3. Określ prędkość dryfu swobodnych elektronów!
Pembahasan
Wiadomo, że:
Prąd elektryczny (I) = 10 amper
Pole przekroju poprzecznego drutu (A) = 3 x 10-6 m2
Gęstość swobodnych elektronów (n) = 8,4 x 1028 m-3
Ładunek elektronu (q) = 1,6 x 10-19 C
Zapytano: Prędkość dryfu swobodnych elektronów (v)
Jawab:
Prędkość elektronów oblicza się, korzystając z wyprowadzonego wcześniej wzoru:
Opis: I = prąd elektryczny, n = gęstość cząstek naładowanych = gęstość swobodnych elektronów, q = ładunek jednego elektronu, A = pole przekroju poprzecznego przewodnika, v = prędkość dryfu elektronów
Prędkość dryfu elektronów wynosi 0,248 x 10 -3 metrów/sekundę = 0,248 milimetrów/sekundę.
Swobodne elektrony poruszają się razem w przewodzie z prędkością 0,248 milimetra na sekundę. Innymi słowy, w każdej sekundzie wszystkie swobodne elektrony przemieszczają się o 0,248 milimetra. To bardzo mała prędkość. Skoro ruch swobodnych elektronów jest tak powolny, dlaczego światło elektryczne zapala się natychmiast po włączeniu przełącznika?
Aby to zrozumieć, wyobraźmy sobie przepływ elektronów w przewodniku jako przepływ wody w wężu. Jeśli wąż jest napełniony wodą, to po podłączeniu jednego końca węża do kranu woda natychmiast wypłynie z drugiego końca. Podobnie, w miedzianym przewodzie i przewodzie żarówki znajdują się wolne elektrony. Po włączeniu przełącznika generowane jest pole elektryczne o prędkości zbliżonej do prędkości światła (prędkość światła = 3 x 108 metrów na sekundę), co powoduje, że wolne elektrony natychmiast zaczynają się poruszać. W przewodzie żarówki znajdują się już wolne elektrony, więc żarówka włącza się natychmiast.
