Corrente elétrica

Definição de corrente elétrica

Dentro de um condutor como o cobre, existem elétrons que se movem livremente e aleatoriamente em altas velocidades, mas não escapam do metal. Elétrons que podem se mover livremente são chamados de elétrons livres. Embora os elétrons se movam livremente em todas as direções, não há fluxo líquido de elétrons em nenhuma direção específica. Essa condição ocorre quando não há diferença de potencial entre as duas extremidades do fio de cobre.

Quando o fio é conectado a uma fonte de energia, surge uma diferença de potencial entre as duas extremidades do fio de cobre, criando assim um campo elétrico dentro do fio de cobre. campo elétrico faz com que os elétrons livres experimentem força elétrica F = q E = e E, onde F = força elétrica, e = carga do elétron, E = campo elétricoA força elétrica faz com que todos os elétrons em movimento livre experimentem uma aceleração comum na mesma direção da força elétrica.

Esses elétrons livres, movendo-se juntos, estão localizados entre os átomos estacionários no fio de cobre, fazendo com que todos os elétrons colidam com esses átomos. Essas colisões fazem com que os elétrons livres mudem sua direção de movimento. Todos esses elétrons estão constantemente sujeitos a uma força elétrica, fazendo com que acelerem na mesma direção da força elétrica. Após se moverem por um instante, os elétrons livres colidem novamente com os átomos no fio de cobre. No entanto, os elétrons livres estão sempre sujeitos a uma força elétrica, fazendo com que todos os elétrons acelerem novamente.

Assim, além de se moverem aleatoriamente em várias direções, todos os elétrons livres também se movem juntos lentamente na direção da força elétrica e na direção oposta à do campo elétrico. A direção do campo elétrico é de alto potencial elétrico para baixo potencial elétrico, enquanto os elétrons se movem de baixo potencial para alto potencial. O movimento aleatório de cada elétron livre tem uma velocidade muito alta, enquanto o movimento coletivo dos elétrons livres na direção da força elétrica tem uma velocidade muito baixa. Esse movimento coletivo dos elétrons livres na direção da força elétrica também é chamado de velocidade de deriva.

A corrente elétrica é definida como o fluxo de carga elétrica A corrente elétrica que atravessa uma seção transversal de um condutor durante um determinado intervalo de tempo é chamada de corrente convencional. Por convenção, a direção da corrente elétrica é a mesma que a direção do movimento da carga positiva. Essa convenção foi estabelecida antes de se saber que o que realmente se move em um condutor são elétrons livres com carga elétrica negativa. A direção do movimento dos elétrons em um condutor é oposta à direção da corrente elétrica. Portanto, quando se fala da corrente que flui em um condutor, refere-se ao fluxo de carga positiva, também conhecido como corrente convencional, por ser o resultado dessa convenção.

Fórmula da corrente elétrica

Matematicamente, a corrente elétrica é expressa pela equação:
I = ΔQ / Δt
Descrição da fórmula: I = corrente elétrica, ΔQ = quantidade de carga elétrica, Δt = intervalo de tempo.

Unidade de corrente elétrica

A unidade de carga elétrica é o Coulomb, a unidade de tempo é o segundo, portanto a unidade de corrente elétrica é o Coulomb por segundo. O Coulomb por segundo também é chamado de ampéreAmpère, em homenagem ao físico francês André-Marie Ampère (1775-1836). 1 Ampère = 1 Coulomb/segundo (1 A = 1 C/s). Em outras palavras, uma corrente elétrica de 1 Ampère é igual a uma carga elétrica de 1 Coulomb passando por uma área de seção transversal de um fio durante 1 segundo. Além de ser expressa em Ampères, a corrente elétrica também é expressa em miliamperes (1 mA = 10⁻¹⁰ A).^-3 A), microamperes (1 μA = 10^-6 A), nanoamperes (1 nA = 10^-9 A) ou picoampères (1 pA = 10^-12 UMA).

Exemplo de pergunta 1:

Uma corrente de 2 amperes flui através de um fio durante 8 segundos. Determine a magnitude da carga que passa por um ponto e o número de elétrons nessa carga!
Discussão
Sabe-se que:
Corrente elétrica (I) = 1 amperes
Intervalo de tempo (t) = 2 segundos
Perguntado: carga (Q) e número de elétrons (e)
Resposta:
Fórmula da corrente elétrica:
I = Q/t
Descrição da fórmula: I = corrente elétrica, Q = carga elétrica, t = intervalo de tempo
Carga elétrica:
Q = I t = (2 Ampères)(8 segundos) = 16 Coulombs.

A carga de um elétron é 1,6 x 10⁻¹⁹ ^Coulombs , portanto, uma carga de 16 Coulombs tem tantos elétrons quanto 16 C / 1,6 x ^10⁻¹⁹ Coulombs = 10 x ^10¹⁹ elétrons.

Corrente elétrica, velocidade de deriva e densidade de corrente

Considere uma carga positiva movendo-se para a direita com velocidade de deriva v na direção de um campo elétrico E em um condutor com área de seção transversal A. A carga positiva percorre uma distância s = vt durante um intervalo de tempo t.

Se o número de partículas carregadas por volume (densidade de partículas carregadas) for n e o volume do condutor for A_s = A_vt, então o número de partículas carregadas no volume do condutor é n A_vt. Se cada partícula carregada tiver uma carga q, então a quantidade de carga que passa pela extremidade do condutor durante o intervalo de tempo t é Q = nq A_vt. Assim, a corrente elétrica que flui pela extremidade do condutor é I = Q/t = nq A_v. Enquanto a densidade de corrente ou corrente por área da seção transversal A é J = I/A = nq A_v. Pode-se concluir que a corrente que flui no condutor é o resultado da multiplicação da densidade de partículas carregadas (n), da magnitude da carga de cada partícula (q), da área da seção transversal do condutor (A) e da velocidade de deriva das partículas carregadas (v).

Analise o seguinte exemplo para compreender a diferença entre a velocidade de cada partícula carregada e a velocidade de deriva de todas as partículas carregadas.

Exemplo de pergunta 2:

Uma corrente constante de 10 amperes flui em um fio de cobre com uma área de seção transversal de 3 x 10^-6 m²A densidade de elétrons livres é de 8,4 x 10²⁸ elétrons/m³Determine a velocidade de deriva dos elétrons livres!
Discussão
Sabe-se que:
Corrente elétrica (I) = 10 amperes
Área da seção transversal do fio (A) = 3 x 10^-6 m²
Densidade de elétrons livres (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Carga do elétron (q) = 1,6 x 10^-19 C
Perguntado: velocidade de deriva dos elétrons livres (v)
Resposta:
A velocidade dos elétrons é calculada usando a fórmula derivada anteriormente:

Descrição: I = corrente elétrica, n = densidade de partículas carregadas = densidade de elétrons livres, q = carga de um elétron, A = área da seção transversal do condutor, v = velocidade de deriva dos elétrons

A velocidade de deriva dos elétrons é 0,248 x 10^-3 metro/segundo = 0,248 milímetros/segundo.

Elétrons livres se movem juntos em um fio a uma velocidade de 0,248 milímetros por segundo. Em outras palavras, a cada segundo, todos os elétrons livres percorrem 0,248 milímetros. Essa é uma velocidade muito lenta. Se o movimento dos elétrons livres é tão lento, por que uma lâmpada elétrica acende imediatamente após o interruptor ser acionado?

Para entender isso, considere o fluxo de elétrons em um condutor como o fluxo de água em uma mangueira. Se a mangueira estiver cheia de água e uma de suas extremidades for conectada a uma torneira, a água fluirá imediatamente pela outra extremidade. Da mesma forma, existem elétrons livres no fio de cobre e no filamento de uma lâmpada. Quando o interruptor é acionado, um campo elétrico é gerado com uma velocidade próxima à da luz (velocidade da luz = 3 x 10⁸ m/s).⁸ metros/segundo), o que faz com que os elétrons livres comecem a se mover juntos naquele exato momento. Já existem elétrons livres no fio da lâmpada, então a luz acende naquele exato momento.