Электрический ток

Определение электрического тока

Внутри проводника, такого как медь, находятся электроны, которые свободно и хаотично движутся с высокой скоростью, но не покидают металл. Электроны, способные свободно двигаться, называются свободными электронами. Хотя электроны свободно движутся во всех направлениях, нет чистого потока электронов в каком-либо конкретном направлении. Это состояние возникает, когда между двумя концами медного провода отсутствует разность потенциалов.

Когда провод подключается к источнику электрического тока, между двумя концами медного провода возникает разность потенциалов, создавая таким образом электрическое поле в проводе. Наличие электрического поля приводит к тому, что свободные электроны испытывают электрическую силу F = q E = e E, где F = электрическая сила, e = заряд электрона, E = электрическое поле . Электрическая сила вызывает общее ускорение всех свободно движущихся электронов в том же направлении, что и электрическая сила.

Эти свободные электроны, двигаясь вместе, расположены между неподвижными атомами в медной проволоке, в результате чего все электроны сталкиваются с этими атомами. Эти столкновения приводят к изменению направления движения свободных электронов. Все эти электроны постоянно подвергаются воздействию электрической силы, заставляя их ускоряться в том же направлении, что и электрическая сила. После некоторого движения свободные электроны снова сталкиваются с атомами в медной проволоке. Однако свободные электроны всегда подвергаются воздействию электрической силы, заставляя все электроны снова ускоряться.

Таким образом, помимо случайного движения в различных направлениях, все свободные электроны также медленно движутся вместе в направлении электрической силы и в противоположном направлении электрического поля. Направление электрического поля — от высокого электрического потенциала к низкому, в то время как электроны движутся от низкого потенциала к высокому. Случайное движение каждого свободного электрона имеет очень высокую скорость, в то время как коллективное движение свободных электронов в направлении электрической силы имеет очень низкую скорость. Это коллективное движение свободных электронов в направлении электрической силы также называется дрейфовой скоростью.

Электрический ток определяется как поток электрического заряда через поперечное сечение проводника за определенный промежуток времени. По общепринятой конвенции, направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Это соглашение было достигнуто до того, как стало известно, что в проводнике фактически движутся свободные отрицательно заряженные электроны. Направление движения электронов в проводнике противоположно направлению электрического тока. Поэтому, когда речь идет о токе, протекающем в проводнике, имеется в виду поток положительных зарядов, также известный как условный ток, поскольку он является результатом этой конвенции.

Формула электрического тока

Математически электрический ток выражается уравнением:
I = ΔQ / Δt
Описание формулы: I = электрический ток, ΔQ = величина электрического заряда, Δt = интервал времени.

Единица измерения электрического тока

Единицей электрического заряда является кулон, единицей времени — секунда, поэтому единицей электрического тока является кулон/секунда. Кулон/секунда также называется ампером , в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836). 1 ампер = 1 кулон/секунда (1 А = 1 Кл/с). Другими словами, электрический ток в 1 ампер равен электрическому заряду в 1 кулон, проходящему через поперечное сечение провода за 1 секунду. Помимо ампер, электрический ток также выражается в миллиамперах (1 мА = 10⁻³ ^А ), микроамперах (1 мкА = 10⁻⁶ ^А ), наноамперах (1 нА = 10⁻⁹ ^А ) или пикоамперах (1 пА = 10⁻¹² ^А ).

Пример вопроса 1:

По проводу в течение 8 секунд протекает ток силой 2 ампера. Определите величину заряда, проходящего через точечную область, и количество электронов в этом заряде!
Обсуждение
Известно, что:
Электрический ток (I) = 1 ампера
Временной интервал (t) = 2 секунды
Вопрос: Заряд (Q) и количество электронов (e)
Джаваб:
Формула электрического тока:
I = О/т
Описание формулы: I = электрический ток, Q = электрический заряд, t = интервал времени.
Электрический заряд:
Q = I t = (2 ампера)(8 секунд) = 16 кулонов.

Заряд одного электрона равен 1,6 × 10⁻¹⁹ ^{Кулонам} , поэтому заряд в 16 Кулонов содержит столько же электронов, сколько 16 Кл / 1,6 × ^10⁻¹⁹ Кулонов = 10 × ^10¹⁹ электронов.

Электрический ток, скорость дрейфа и плотность тока

Рассмотрим положительный заряд, движущийся вправо со скоростью дрейфа v в направлении электрического поля E в проводнике с площадью поперечного сечения A. Положительный заряд перемещается на расстояние s = vt за интервал времени t.

Если число заряженных частиц на единицу объема (плотность заряженных частиц) равно n, а объем проводника равен A s = A vt, то число заряженных частиц в объеме проводника равно n A v t. Если каждая заряженная частица имеет заряд q, то количество заряда, проходящего через конец проводника за интервал времени t, равно Q = nq A v t. Таким образом, электрический ток, протекающий через конец проводника, равен I = Q/t = nq A v. При этом плотность тока или ток на единицу площади поперечного сечения A равна J = I/A = nq v. Можно заключить, что ток, протекающий в проводнике, является результатом произведения плотности заряженных частиц (n), величины заряда каждой частицы (q), площади поперечного сечения проводника (A) и скорости дрейфа заряженных частиц (v).

Изучите следующий пример задачи, чтобы понять разницу между скоростью каждой заряженной частицы и скоростью дрейфа всех заряженных частиц.

Пример вопроса 2:

По медному проводу с площадью поперечного сечения 3 х 10¹⁰ ампер протекает постоянный ток силой 10¹⁰ ампер.^-6 m²Плотность свободных электронов составляет 8,4 х 10¹⁰.²⁸ электронов/м³Определите скорость дрейфа свободных электронов!
Обсуждение
Известно, что:
Электрический ток (I) = 10 ампера
Площадь поперечного сечения проволоки (A) = 3 x 10^-6 m²
Плотность свободных электронов (n) = 8,4 x 10¹⁰²⁸ m^-3
Заряд электрона (q) = 1,6 x 10¹⁰^-19 C
Вопрос: Скорость дрейфа свободных электронов (v)
Джаваб:
Скорость электронов рассчитывается с использованием ранее выведенной формулы:

Описание: I = электрический ток, n = плотность заряженных частиц = плотность свободных электронов, q = заряд одного электрона, A = площадь поперечного сечения проводника, v = скорость дрейфа электронов.

Скорость дрейфа электронов составляет 0,248 x 10⁻³ ^метров /секунду = 0,248 миллиметров/секунду.

Свободные электроны движутся вместе в проводе со скоростью 0,248 миллиметра в секунду. Другими словами, каждую секунду все свободные электроны перемещаются на 0,248 миллиметра. Это очень низкая скорость. Если движение свободных электронов настолько медленное, почему электрическая лампочка сразу же загорается после включения выключателя?

Чтобы это понять, представим поток электронов в проводнике как поток воды в шланге. Если шланг наполнен водой, то если один его конец подсоединить к крану, вода немедленно потечет из другого конца. Аналогично, в медном проводе и проводе лампочки есть свободные электроны. Когда выключатель включен, генерируется электрическое поле со скоростью, приближающейся к скорости света (скорость света = 3 х 10⁸ ^метров /секунду), что заставляет свободные электроны немедленно начать двигаться вместе. В проводе лампочки уже есть свободные электроны, поэтому лампочка загорается немедленно.