Definícia elektrického prúdu
Vo vnútri vodiča, ako je meď, sa nachádzajú elektróny, ktoré sa voľne a náhodne pohybujú vysokými rýchlosťami, ale neunikajú z kovu. Elektróny, ktoré sa môžu voľne pohybovať, sa nazývajú voľné elektróny. Hoci sa elektróny voľne pohybujú všetkými smermi, neexistuje žiadny celkový tok elektrónov v žiadnom konkrétnom smere. Tento stav nastáva, keď medzi dvoma koncami medeného drôtu nie je žiadny rozdiel potenciálov.
Keď je vodič pripojený k zdroju napájania, medzi dvoma koncami medeného drôtu vzniká rozdiel potenciálov, čím sa v medenom drôte vytvára elektrické pole. elektrické pole spôsobuje vznik voľných elektrónov elektrická sila F = q E = e E, kde F = elektrická sila, e = náboj elektrónu, E = elektrické poleElektrická sila spôsobuje, že všetky voľne sa pohybujúce elektróny zažívajú spoločné zrýchlenie v rovnakom smere ako elektrická sila.
Tieto voľné elektróny, pohybujúce sa spoločne, sa nachádzajú medzi stacionárnymi atómami v medenom drôte, čo spôsobuje, že všetky elektróny sa s týmito atómami zrážajú. Tieto zrážky spôsobujú, že voľné elektróny menia smer svojho pohybu. Všetky tieto elektróny sú neustále vystavené elektrickej sile, ktorá spôsobuje ich zrýchlenie v rovnakom smere ako elektrická sila. Po chvíli pohybu sa voľné elektróny opäť zrazia s atómami v medenom drôte. Voľné elektróny sú však vždy vystavené elektrickej sile, ktorá spôsobuje, že všetky elektróny sa opäť zrýchľujú.
Takže okrem náhodného pohybu v rôznych smeroch sa všetky voľné elektróny tiež pomaly pohybujú spoločne v smere elektrickej sily a v opačnom smere elektrického poľa. Smer elektrického poľa je od vysokého elektrického potenciálu k nízkemu elektrickému potenciálu, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú od nízkeho potenciálu k vysokému potenciálu. Náhodný pohyb každého voľného elektrónu má veľmi vysokú rýchlosť, zatiaľ čo kolektívny pohyb voľných elektrónov v smere elektrickej sily má veľmi pomalú rýchlosť. Tento kolektívny pohyb voľných elektrónov v smere elektrickej sily sa nazýva aj driftová rýchlosť.
Elektrický prúd je definovaný ako tok elektrický náboj prechod prierezom vodiča počas určitého časového intervalu. Podľa dohody je smer elektrického prúdu rovnaký ako smer pohybu kladného náboja. Táto dohoda bola uzavretá predtým, ako sa vedelo, že v vodiči sa v skutočnosti pohybujú voľné elektróny so záporným elektrickým nábojom. Smer pohybu elektrónov vo vodiči je opačný ako smer elektrického prúdu. Preto sa pri diskusii o prúde pretekajúcom vodičom myslí tok kladného náboja, známy aj ako konvenčný prúd, pretože je výsledkom tejto dohody.
Vzorec elektrického prúdu
Matematicky sa elektrický prúd vyjadruje rovnicou:
I = ΔQ / Δt
Popis vzorca: I = elektrický prúd, ΔQ = množstvo elektrického náboja, Δt = časový interval.
Jednotka elektrického prúdu
Jednotkou elektrického náboja je Coulomb, jednotkou času je sekunda, takže jednotkou elektrického prúdu je Coulomb/sekunda. Coulomb/sekunda sa tiež nazýva Ampér, meno francúzskeho fyzika André Marie Ampéra (1775-1836). 1 ampér = 1 Coulomb za sekundu (1 A = 1 C/s). Inými slovami, elektrický prúd 1 ampér sa rovná elektrickému náboju 1 Coulomb prechádzajúcemu prierezom drôtu po dobu 1 sekundy. Okrem ampérov sa elektrický prúd vyjadruje aj v miliampéroch (1 mA = 10-3 A), mikroampéry (1 μA = 10-6 A), nanoampéry (1 nA = 10-9 A) alebo pikoampérov (1 pA = 10-12 A).
Príklad otázky 1:
Vodičom preteká prúd 2 ampéry po dobu 8 sekúnd. Určte veľkosť náboja prechádzajúceho bodom a počet elektrónov v tomto náboji!
Diskusia
Je známe, že:
Elektrický prúd (I) = 1 ampér
Časový interval (t) = 2 sekunda
Opýtal sa: náboj (Q) a počet elektrónov (e)
Odpoveď:
Vzorec pre elektrický prúd:
I = Q/t
Popis vzorca: I = elektrický prúd, Q = elektrický náboj, t = časový interval
Elektrický náboj:
Q = I t = (2 ampéry)(8 sekúnd) = 16 coulombov.
Náboj jedného elektrónu je 1,6 x 10⁻¹⁴ Coulombov , takže náboj 16 Coulombov má toľko elektrónov ako 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁴ Coulombov = 10 x 10⁻¹⁴ elektrónov.
Elektrický prúd, rýchlosť driftu a hustota prúdu
Uvažujme kladný náboj pohybujúci sa doprava s driftovou rýchlosťou v v smere elektrického poľa E vo vodiči s prierezom A. Kladný náboj sa počas časového intervalu t pohybuje o vzdialenosť s = vt.
Ak je počet nabitých častíc na objem (hustota nabitých častíc) n a objem vodiča je A s = A vt, potom počet nabitých častíc v objeme vodiča je n A v t. Ak má každá nabitá častica náboj q, potom množstvo náboja, ktoré prejde koncom vodiča počas časového intervalu t, je Q = nq A v t. Takže elektrický prúd pretekajúci koncom vodiča je I = Q/t = nq A v. Zatiaľ čo hustota prúdu alebo prúd na plochu prierezu A je J = I/A = nq v. Dá sa usúdiť, že prúd pretekajúci vodičom je výsledkom vynásobenia hustoty nabitých častíc (n), veľkosti náboja každej častice (q), plochy prierezu vodiča (A) a rýchlosti driftu nabitých častíc (v).
Preštudujte si nasledujúci príklad úlohy, aby ste pochopili rozdiel medzi rýchlosťou každej nabitej častice a rýchlosťou driftu všetkých nabitých častíc.
Príklad otázky 2:
Konštantný prúd 10 ampérov preteká medeným drôtom s prierezom 3 x 10-6 m2Hustota voľných elektrónov je 8,4 x 1028 elektróny/m3Určte rýchlosť driftu voľných elektrónov!
Diskusia
Je známe, že:
Elektrický prúd (I) = 10 ampér
Prierezová plocha drôtu (A) = 3 x 10-6 m2
Hustota voľných elektrónov (n) = 8,4 x 1028 m-3
Náboj elektrónu (q) = 1,6 x 10-19 C
Opýtal sa: Rýchlosť voľného driftu elektrónov (v)
Odpoveď:
Rýchlosť elektrónov sa vypočíta pomocou predtým odvodeného vzorca:
Popis: I = elektrický prúd, n = hustota nabitých častíc = hustota voľných elektrónov, q = náboj jedného elektrónu, A = plocha prierezu vodiča, v = rýchlosť driftu elektrónov
Rýchlosť driftu elektrónov je 0,248 x 10-3 meter/sekunda = 0,248 milimetra/sekunda.
Voľné elektróny sa pohybujú spoločne vo vodiči rýchlosťou 0,248 milimetra za sekundu. Inými slovami, každú sekundu sa všetky voľné elektróny pohybujú o 0,248 milimetra. To je veľmi pomalá rýchlosť. Ak je pohyb voľných elektrónov taký pomalý, prečo sa elektrické svetlo okamžite rozsvieti po zapnutí vypínača?
Aby sme to pochopili, predstavte si tok elektrónov vo vodiči, ako je tok vody v hadici. Ak je hadica naplnená vodou a jeden koniec hadice je pripojený k vodovodnému kohútiku, voda okamžite vytečie z druhého konca. Podobne sú voľné elektróny v medenom drôte a drôte žiarovky. Keď je spínač zapnutý, generuje sa elektrické pole s rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla (rýchlosť svetla = 3 x 108 metrov/sekundu), čo spôsobí, že sa voľné elektróny začnú pohybovať spolu práve v danom okamihu. V vodiči žiarovky sú už voľné elektróny, takže svetlo sa v danom okamihu rozsvieti.
