Curent electric

Definiția curentului electric

Într-un conductor precum cuprul, există electroni care se mișcă aleatoriu, cu viteză mare, liber, dar nu se evaporă din metal. Electronii care se pot mișca liber se numesc electroni liberi. Deși electronii se mișcă liber în toate direcțiile, nu există un flux total 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, astfel încât apare un câmp electric în interiorul acestuia. Existența unui câmp electric face ca electronii liberi să experimenteze forța electrică F = q, E = e, unde F = forța electrică , e = sarcina electronului, E = câmpul electric . Această forță electrică face ca toți electronii care se mișcă liber să accelereze împreună, aceasta fiind în aceeași direcție ca și forța electrică.

Electronii liberi care se mișcă împreună se află între atomii care rămân în firul de cupru, astfel încât toți electronii se ciocnesc cu atomii. Coliziunea determină schimbarea direcției electronilor liberi. Toți acești electroni sunt întotdeauna supuși unei forțe electrice, astfel încât toți electronii sunt accelerați în aceeași direcție ca și direcția forței electrice. După ce se mișcă pentru o clipă, electronii liberi se ciocnesc cu atomii din firul de cupru. Dar electronii liberi sunt întotdeauna supuși unei forțe electrice, astfel încât toți electronii sunt accelerați din nou. Așadar, pe lângă mișcarea aleatorie în diferite direcții, toți electronii liberi se mișcă și încet împreună în direcția forței electrice și în direcția opusă câmpului electric. Direcția câmpului electric este de la un potențial electric ridicat la un potențial electric scăzut, în timp ce electronii se mișcă de la un potențial scăzut la un potențial ridicat. Mișcarea aleatorie a fiecărui electron liber are o viteză foarte mare, în timp ce mișcarea cu electronii liberi în direcția forței electrice are o viteză foarte lentă. Această mișcare cu electronii 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 într-un anumit interval de timp. Conform acordului, direcția curentului electric este aceeași cu direcția sarcinii pozitive. Acest acord a fost făcut înainte de a se ști că ceea ce se mișcă de fapt într-un conductor sunt electronii liberi încărcați negativ. Direcția de mișcare a electronilor în conductor este opusă direcției curentului electric. Așadar, dacă discutăm despre curentul care curge în conductor, ne referim la fluxul de sarcină pozitivă, care se numește și curent convențional, deoarece este rezultatul unui acord.

Ecuația curentului electric

Matematic, curentul electric se exprimă prin ecuația:

I = ΔQ / Δt

I = curent electric, ΔQ = cantitatea de sarcină electrică, Δt = interval de timp.

Unitate de curent electric

Unitatea de măsură a sarcinii electrice este Coulomb, unitatea de măsură a timpului este secunda, deci unitatea de măsură a curentului electric este Coulomb/secundă. Coulomb/secundă este numit și Ampere, după numele fizicianului francez Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/secundă (1 A = 1 C/s). Cu alte cuvinte, un curent electric de 1 Ampere 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 sunt exprimați în Amperi, curenții electrici sunt exprimați 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).

Problema exemplu 1:

Un curent de 2 amperi trece prin fir timp de 8 secunde. Determinați cantitatea de sarcină care trece printr-un punct și numărul de electroni din acea sarcină!

Cunoscut:

Curent electric (I) = 1 amperi

Interval de timp (t) = 2 secunde

Cerut: sarcină (Q) și număr de electroni (e)

Soluţie:

Ecuația curentului electric:

I = Q/t

I = curent electric, Q = sarcină electrică, t = interval de timp

Sarcină electrică:

Q = I t = (2 amperi)(8 secunde) = 16 C.

Sarcina unui electron este de 1.6 x 10⁻¹19 ^Coulomb , deci sarcina a 16 Coulombs are tot atâția electroni câți 16 C / 1.6 x ^10⁻¹19 Coulomb = 10 x 10⁻¹19 ^electroni.

Curent electric, viteză de derivă și densitate de curent

Examinați sarcina pozitivă care se mișcă spre dreapta cu viteza v, derivând în direcția câmpului electric E

pe un conductor care are o secțiune transversală A. Sarcina pozitivă se deplasează până la s = vt în intervalul de timp t.

Dacă numărul de particule încărcate per 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 t este Q = nq A v t. Deci, curentul electric care curge prin vârful 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 produsul înmulțirii densității particulelor încărcate (n),

cantitatea de sarcină pentru fiecare particulă (q), aria conductorului (A) și viteza particulelor încărcate (v).

Studiați următoarele exemple de întrebări.

Problema exemplu 2:

Un curent constant de 10 amperi curge într-un fir de cupru cu o secțiune transversală de 3 x 10⁻⁶ ^m² . Densitatea electronilor liberi este de 8.4 x ^10⁻²⁸ electroni/m³ ^{. Determinați} viteza de deplasare a electronilor liberi!

Cunoscut:

Curent electric (I) = 10 amperi

^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

Cerut: Viteza de derivă a electronilor liberi (v)

Soluţie:

Viteza electronilor se calculează folosind o formulă derivată anterior:

I = curent electric, n = densitatea particulelor încărcate = densitatea electronilor, q = sarcina unui electron, A = aria secțiunii transversale a conductorului, v = viteza de deviere 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 viteze de 0.248 milimetri pe secundă. Cu alte cuvinte, în fiecare secundă, toți electronii liberi se mișcă până la 0.248 milimetri. Aceasta este o viteză foarte mică. Dacă mișcarea electronilor liberi este foarte lentă, de ce se aprinde lumina electrică imediat după ce comutatorul este pornit?

Pentru a înțelege acest lucru, electronii curg în conductor la fel ca apa curgând în interiorul furtunului. Dacă furtunul este umplut cu apă, atunci dacă un capăt al furtunului este conectat la robinet, apa curge imediat afară dintr-un capăt al celuilalt furtun. În mod similar, există electroni liberi în firul de cupru și în firul becului. Când comutatorul este pornit, apare un câmp electric cu o viteză care se apropie de viteza luminii (viteza luminii = 3 x 10^ ⁸ metri/secundă), ceea ce face ca electronii liberi să înceapă să se miște împreună în acel moment. Există deja electroni liberi în firul becului, astfel încât lumina este aprinsă chiar în acel moment.

Probleme și soluții

1. Un curent constant de 10 A există într-un fir timp de 2 minute. Câtă sarcină trece prin conductor în orice locație.

Cunoscut:

Curent electric (I) = 10 A

Interval de timp (t) = 2 minute = 2 x 60 secunde = 120 secunde

Se caută: Încărcare (Q)

soluţie:

Ecuația curentului electric:

I = q/t

I = curentul electric, q = sarcina electrică, t = intervalul de timp

Sarcina electrică:

Q = I t = (10)(120) = 1200 °C

2. O sarcină de 60 C trece printr-un punct din circuit timp de 5 minute. Care este curentul electric?

Cunoscut:

Intervalul de timp (t) = 5 minute = 5 x 60 secunde = 300 secunde

Sarcina electrică (Q) = 60 °C

Cerut: Curentul electric (I)

soluţie:

Curentul electric:

I = Q/t

I = 60 / 300

I = 0.2 Coulombs/secundă

I = 0.2 amperi

3. Unitatea de măsură a curentului electric în sistemul SI este…

Soluţie

Coulombi/secundă

Coulombs/secundă, având o denumire specială, amperul.