Curent electric

Definiția curentului electric

În interiorul unui conductor precum cuprul, există electroni care se mișcă liber și aleatoriu la viteze mari, dar nu scapă din metal. Electronii care se pot mișca liber se numesc electroni liberi. Deși electronii se mișcă liber în toate direcțiile, nu există un flux net de electroni într-o anumită direcție. Această condiție apare atunci când nu există nicio diferență de potențial între cele două capete ale firului de cupru.

Când firul este conectat la o sursă electrică, apare o diferență de potențial între cele două capete ale firului de cupru, creând astfel un câmp electric în firul de cupru. Prezența unui câmp electric face ca electronii liberi să experimenteze o forță electrică F = q, E = e, unde F = forța electrică, e = sarcina electronului, E = câmpul electric . Forța electrică face ca toți electronii care se mișcă liber să experimenteze o accelerație comună în aceeași direcție ca și forța electrică.

Acești electroni liberi, mișcându-se împreună, sunt localizați între atomii staționari din firul de cupru, provocând coliziunea tuturor electronilor cu acești atomi. Aceste coliziuni determină schimbarea direcției de mișcare a electronilor liberi. Toți acești electroni sunt supuși constant unei forțe electrice, ceea ce îi face să accelereze în aceeași direcție ca și forța electrică. După ce se mișcă o clipă, electronii liberi se ciocnesc din nou cu atomii din firul de cupru. Cu toate acestea, electronii liberi sunt întotdeauna supuși unei forțe electrice, provocând din nou accelerarea tuturor electronilor.

Așadar, pe lângă faptul că se mișcă aleatoriu în diverse direcții, toți electronii liberi se mișcă împreună și încet în direcția forței electrice și în direcția opusă câmpului electric. Direcția câmpului electric este de la potențial electric ridicat la potențial electric scăzut, în timp ce electronii se mișcă de la potențial scăzut la potențial ridicat. Mișcarea aleatorie a fiecărui electron liber are o viteză foarte mare, în timp ce mișcarea colectivă a electronilor liberi în direcția forței electrice are o viteză foarte mică. Această mișcare colectivă a electronilor liberi în direcția forței electrice se numește și viteză de derivă.

Curentul electric este definit ca fluxul de sarcină electrică printr-o secțiune transversală a unui conductor pe un interval de timp specific. Prin convenție, direcția curentului electric este aceeași cu direcția de mișcare a sarcinilor pozitive. Acest acord a fost făcut înainte de a se ști că ceea ce se mișcă de fapt într-un conductor sunt electroni liberi, încărcați negativ. Direcția de mișcare a electronilor într-un conductor este opusă direcției curentului electric. Prin urmare, atunci când se discută despre curentul care curge într-un conductor, se înțelege fluxul de sarcini pozitive, cunoscut și sub numele de curent convențional, deoarece este rezultatul acestui acord.

Formula curentului electric

Matematic, curentul electric se exprimă prin ecuația:
I = ΔQ / Δt
Descrierea formulei: I = curent electric, ΔQ = cantitatea de sarcină electrică, Δt = interval de timp.

Unitatea de curent electric

Unitatea de măsură a sarcinii electrice este Coulombul, unitatea de măsură a timpului este secunda, deci unitatea de măsură a curentului electric este Coulombul/secundă. Coulombul/secundă este numit și Amper , după fizicianul francez André Marie Ampère (1775-1836). 1 Amper = 1 Coulomb/secundă (1 A = 1 C/s). Cu alte cuvinte, un curent electric de 1 Amper este egal cu o sarcină electrică de 1 Coulomb care trece printr-o secțiune transversală a unui fir timp de 1 secundă. Pe lângă faptul că este exprimat în Amperi, curentul electric este exprimat și în miliamperi (1 mA = 10⁻³ ^A ), microamperi (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamperi (1 nA = 10⁻⁶ ^A ) sau picoamperi (1 pA = ^10⁻¹² A).

Exemplu de întrebare 1:

Un curent de 2 amperi trece printr-un fir timp de 8 secunde. Determinați magnitudinea sarcinii care trece printr-un punct și numărul de electroni din acea sarcină!
Pembahasan
Se știe că:
Curent electric (I) = 1 Amper
Interval de timp (t) = 2 secunde
Întrebat: sarcina (Q) și numărul de electroni (e)
Jawab:
Formula curentului electric:
I = Q/t
Descrierea formulei: I = curent electric, Q = sarcină electrică, t = interval de timp
Sarcină electrică:
Q = I t = (2 amperi)(8 secunde) = 16 coulombi.

Sarcina unui electron este de 1,6 x 10⁻¹9 ^Coulombs , deci o sarcină de 16 Coulombs are tot atâtea electroni câte 16 C / 1,6 x ^10⁻¹9 Coulombs = 10 x ^10⁻¹ electroni.

Curent electric, viteză de derivă și densitate de curent

Să luăm în considerare o sarcină pozitivă care se mișcă spre dreapta cu o viteză de derivă v în direcția unui câmp electric E într-un conductor cu secțiunea transversală A. Sarcina pozitivă se deplasează pe o distanță s = vt într-un interval de timp t.

Dacă numărul de particule încărcate pe volum (densitatea particulelor încărcate) este n și volumul conductorului este A s = A vt, atunci numărul de particule încărcate din volumul conductorului este n A v t. Dacă fiecare particulă încărcată are o sarcină q, atunci cantitatea de sarcină care trece prin capătul conductorului în intervalul de timp t este Q = nq A v t. Deci, curentul electric care curge prin capătul conductorului este I = Q/t = nq A v. În timp ce densitatea de curent sau curentul pe aria secțiunii transversale A este J = I/A = nq v. Se poate concluziona că curentul care curge în conductor este rezultatul înmulțirii densității particulelor încărcate (n), magnitudinii sarcinii fiecărei particule (q), aria secțiunii transversale a conductorului (A) și vitezei de derivă a particulelor încărcate (v).

Studiați următoarea problemă exemplificativă pentru a înțelege diferența dintre viteza fiecărei particule încărcate și viteza de deplasare a tuturor particulelor încărcate.

Exemplu de întrebare 2:

Un curent constant de 10 amperi curge printr-un fir de cupru cu o secțiune transversală de 3 x 10^-6 m²Densitatea electronilor liberi este de 8,4 x 10²⁸ electroni/m³Determinați viteza de derivă a electronilor liberi!
Pembahasan
Se știe că:
Curent electric (I) = 10 Amper
Aria secțiunii transversale a firului (A) = 3 x 10^-6 m²
Densitatea electronilor liberi (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Sarcina electronului (q) = 1,6 x 10^-19 C
Întrebat: Viteza de derivă a electronilor liberi (v)
Jawab:
Viteza electronilor se calculează folosind formula derivată anterior:

Descriere: I = curent electric, n = densitatea particulelor încărcate = densitatea electronilor liberi, q = sarcina unui electron, A = aria secțiunii transversale a conductorului, v = viteza de derivă a electronilor

Viteza de derivă a electronilor este de 0,248 x 10⁻³ ^metri /secundă = 0,248 milimetri/secundă.

Electronii liberi se mișcă împreună într-un fir cu o viteză de 0,248 milimetri pe secundă. Cu alte cuvinte, în fiecare secundă toți electronii liberi se mișcă 0,248 milimetri. Aceasta este o viteză foarte mică. Dacă mișcarea electronilor liberi este atât de lentă, de ce se aprinde o lumină electrică imediat după ce întrerupătorul este pornit?

Pentru a înțelege acest lucru, considerați fluxul de electroni într-un conductor ca fiind fluxul de apă într-un furtun. Dacă furtunul este umplut cu apă, atunci dacă un capăt al furtunului este conectat la un robinet, apa va curge imediat prin celălalt capăt. În mod similar, există electroni liberi în firul de cupru și în firul becului. Când comutatorul este pornit, se generează un câmp electric cu o viteză care se apropie de viteza luminii (viteza luminii = 3 x 108 ^metri /secundă), ceea ce face ca electronii liberi să înceapă imediat să se miște împreună. Există deja electroni liberi în firul becului, așa că becul se aprinde imediat.