Электрический ток

Определение электрического тока

В проводнике, таком как медь, электроны движутся хаотично с высокой скоростью и свободно, но не покидают металл. Электроны, способные свободно двигаться, называются свободными электронами. Хотя электроны движутся свободно во всех направлениях, полного потока электронов в определенном направлении нет. 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, так что внутри провода появляется электрическое поле. 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 . Эта электрическая сила заставляет все свободно движущиеся электроны ускоряться вместе, что совпадает с направлением действия электрической силы.

Свободные электроны, движущиеся вместе, находятся между атомами, оставшимися в медной проволоке, так что все электроны сталкиваются с атомами. Столкновение вызывает изменение направления движения свободных электронов. Все эти электроны всегда испытывают электрическую силу, так что все электроны ускоряются в том же направлении, что и электрическая сила. После некоторого времени движения свободные электроны сталкиваются с атомами в медной проволоке. Но свободные электроны всегда испытывают электрическую силу, так что все электроны снова ускоряются. Поэтому, помимо случайного движения в различных направлениях, все свободные электроны также медленно движутся вместе в направлении электрической силы и в противоположном направлении электрическому полю. 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 движение свободных электронов в направлении электрической силы имеет очень низкую скорость. Это движение свободных электронов в направлении электрической силы также называется скорость дрейфа.

Электрический ток определяется как поток электрического заряда через поперечное сечение проводника за определенный интервал времени. В соответствии с общепринятым правилом, направление электрического тока совпадает с направлением положительного заряда. Это правило было принято до того, как стало известно, что в проводнике фактически движутся отрицательно заряженные свободные электроны. Направление движения электронов в проводнике противоположно направлению электрического тока. Поэтому, если мы говорим о токе, протекающем в проводнике, то имеем в виду поток положительного заряда, который также называется условным током, поскольку он является результатом общепринятого правила.

Уравнение электрического тока

Математически электрический ток выражается уравнением:

I = ΔВопрос / & Dgr; t

I = электрический ток, ΔQ = величина электрического заряда, Δt = интервал времени.

Единица 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 = 10¹⁰).^-3 А), микроампер (1 мкА = 10^-6 А), наноамперы (1 нА = 10-9 А) или пикоамперы (1 пА = 10 А).^-12 А).

Пример задачи 1:

По проводу протекает ток силой 2 ампера в течение 8 секунд. Определите величину заряда, проходящего через точку, и количество электронов в этом заряде!

Известный:

Электрический ток (I) = 1 ампер

Интервал времени (t) = 2 секунд

Разыскивается: Заряд (Q) и количество электронов (e)

Решение:

Уравнение электрического тока:

I = О/т

I = электрический ток, Q = электрический заряд, t = интервал времени

Электрический заряд:

Q = I t = (2 ампера)(8 секунд) = 16 С.

Заряд одного электрона равен 1.6 × 10¹⁶.^-19 Кулон, следовательно, заряд 16 Кулонов содержит столько же электронов, сколько 16 Кл / 1.6 х 10¹⁶.^-19 Кулон = 10 x 10¹⁹ электроны.

Электрический ток, скорость дрейфа и плотность тока

Рассмотрим положительный заряд, движущийся вправо со скоростью v в направлении электрического поля E.

На проводнике с площадью поперечного сечения А 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,

Тогда 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. Следовательно, электрический ток, протекающий через конец проводника, равен I = Q / t = nq A v. В то время как плотность тока или ток на единицу площади поперечного сечения A равна J = I / A = nq v.

Можно сделать вывод, что ток, протекающий в проводнике, является произведением плотности заряженных частиц (n).

величина заряда каждой частицы (q), площадь проводника (A) и скорость заряженных частиц (v).

Изучите следующие примеры вопросов.

Пример задачи 2:

По медному проводу с площадью поперечного сечения 3 х 10⁻³ м² протекает постоянный ток силой 10 ампер.^-6 m²Плотность свободных электронов составляет 8.4 х 10¹⁰.²⁸ электронов/м³Определите скорость дрейфа свободных электронов!

Известный:

Электрический ток (I) = 10 ампер

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

Разыскивается: Скорость дрейфа свободных электронов (v)

Решение:

Скорость электронов рассчитывается по формуле, выведенной ранее:

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

Скорость дрейфа электронов составляет 0.248 x 10¹⁸.^-3 метры/секунда = 0.248 миллиметра/секунду.

Свободные электроны движутся вместе в проводе со скоростью 0.248 миллиметра в секунду. Другими словами, каждую секунду все свободные электроны перемещаются на расстояние до 0.248 миллиметра. Это очень низкая скорость. Если движение свободных электронов очень медленное, почему электрическая лампочка сразу же загорается после включения выключателя?

Чтобы это понять, представьте, что электроны движутся в проводнике подобно потоку воды в шланге. Если шланг наполнен водой, то если один его конец подсоединить к крану, вода немедленно вытечет из другого конца шланга. Аналогично, в медном проводе и проводе лампочки находятся свободные электроны. Когда выключатель включен, возникает электрическое поле со скоростью, приближающейся к скорости света (скорость света = 3 х 10¹⁸).⁸ метров/секунду), что приводит к тому, что свободные электроны начинают двигаться вместе в этот момент. В проводе лампочки уже есть свободные электроны, поэтому свет горит именно в этот момент.

Проблемы и решения

1. В проводнике в течение 2 минут течет постоянный ток силой 10 А. Какая часть этого тока уменьшится? заряд проходит через проводник в любой точке.

Известно:

Электрический ток (I) = 10 А

Временной интервал (t) = 2 минуты = 2 x 60 секунд = 120 секунд

В розыске: Заряд (клавиша Q)

решение:

Уравнение электрического тока:

I = q/t

I = электрический ток, q = электрический заряд, t = интервал времени.

Электрический заряд:

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

2. Через точку в цепи в течение 5 минут проходит заряд 60 Кл. Каков величина электрического тока?

Известно:

Временной интервал (t) = 5 минут = 5 x 60 секунд = 300 секунд

Электрический заряд (Q) = 60 Кл

В розыске: Электрический ток (I)

решение:

Электрический ток:

I = О/т

я = 60/300

I = 0.2 кулона/секунду

I = 0.2 ампер

3. Единицей измерения электрического тока в системе СИ является…

Решение

Кулоны/секунда

Кулоны/секунды, или ампер.