Električni tok

Definicija električnega toka

Znotraj prevodnika, kot je baker, so elektroni, ki se prosto in naključno gibljejo z velikimi hitrostmi, vendar ne uidejo iz kovine. Elektroni, ki se lahko prosto gibljejo, se imenujejo prosti elektroni. Čeprav se elektroni prosto gibljejo v vse smeri, ni neto toka elektronov v nobeni določeni smeri. Do tega stanja pride, ko med obema koncema bakrene žice ni potencialne razlike.

Ko je žica priključena na električni vir, nastane potencialna razlika med obema koncema bakrene žice, ki v njej ustvari električno polje. Prisotnost električnega polja povzroči, da na proste elektrone deluje električna sila F = q E = e E, kjer je F = električna sila, e = naboj elektrona, E = električno polje . Električna sila povzroči, da vsi prosto gibajoči se elektroni doživljajo skupni pospešek v isti smeri kot električna sila.

Ti prosti elektroni, ki se gibljejo skupaj, se nahajajo med mirujočimi atomi v bakreni žici, zaradi česar vsi elektroni trčijo s temi atomi. Zaradi teh trkov prosti elektroni spremenijo smer gibanja. Vsi ti elektroni so nenehno izpostavljeni električni sili, zaradi česar pospešujejo v isti smeri kot električna sila. Po trenutku gibanja prosti elektroni ponovno trčijo v atome v bakreni žici. Vendar pa so prosti elektroni vedno izpostavljeni električni sili, zaradi česar vsi elektroni ponovno pospešijo.

Torej se poleg naključnega gibanja v različne smeri vsi prosti elektroni tudi počasi gibljejo skupaj v smeri električne sile in v nasprotni smeri električnega polja. Smer električnega polja je od visokega električnega potenciala do nizkega električnega potenciala, medtem ko se elektroni gibljejo od nizkega potenciala do visokega potenciala. Naključno gibanje vsakega prostega elektrona ima zelo veliko hitrost, medtem ko ima kolektivno gibanje prostih elektronov v smeri električne sile zelo majhno hitrost. To kolektivno gibanje prostih elektronov v smeri električne sile se imenuje tudi hitrost drifta.

Električni tok je definiran kot pretok električnega naboja skozi prečni prerez prevodnika v določenem časovnem intervalu. Po dogovoru je smer električnega toka enaka smeri gibanja pozitivnih nabojev. Ta dogovor je bil sklenjen, preden je bilo znano, da se v prevodniku dejansko gibljejo prosti, negativno nabiti elektroni. Smer gibanja elektronov v prevodniku je nasprotna smeri električnega toka. Zato pri razpravi o toku, ki teče v prevodniku, mislimo na pretok pozitivnih nabojev, znan tudi kot konvencionalni tok, ker je rezultat tega dogovora.

Formula za električni tok

Matematično se električni tok izrazi z enačbo:
I = ΔQ / Δt
Opis formule: I = električni tok, ΔQ = količina električnega naboja, Δt = časovni interval.

Enota električnega toka

Enota za električni naboj je Coulomb, enota za čas pa je sekunda, zato je enota za električni tok Coulomb/sekunda. Coulomb/sekunda se imenuje tudi amper , poimenovan po francoskem fiziku Andreju Marieju Amperu (1775–1836). 1 amper = 1 Coulomb/sekunda (1 A = 1 C/s). Z drugimi besedami, električni tok 1 amper je enak električnemu naboju 1 Coulomb, ki teče skozi prečni prerez žice 1 sekundo. Poleg amperov se električni tok izraža tudi v miliamperih (1 mA = 10⁻³ ^A ), mikroamperih (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamperih (1 nA = 10⁻⁹ ^A ) ali pikoamperih (1 pA = ^10⁻¹² A).

Primer vprašanja 1:

Skozi žico teče 8 sekund tok 2 ampera. Določite velikost naboja, ki poteka skozi točko, in število elektronov v tem naboju!
Razprava
Znano je, da:
Električni tok (I) = 1 amperov
Časovni interval (t) = 2 sekund
Vprašano: naboj (Q) in število elektronov (e)
Odgovor:
Formula za električni tok:
I = Q/t
Opis formule: I = električni tok, Q = električni naboj, t = časovni interval
Električni naboj:
Q = I t = (2 ampera)(8 sekund) = 16 kulonov.

Naboj enega elektrona je 1,6 x 10⁻¹⁹ ^Coulombov , zato ima naboj 16 Coulombov toliko elektronov kot 16 C / 1,6 x ^10⁻¹⁹ Coulombov = 10 x ^10⁻¹⁹ elektronov.

Električni tok, hitrost odnašanja in gostota toka

Predstavljajte si pozitivni naboj, ki se premika v desno s hitrostjo drsenja v v smeri električnega polja E v prevodniku s prečnim prerezom A. Pozitivni naboj se v časovnem intervalu t premakne za razdaljo s = vt.

Če je število nabitih delcev na volumen (gostota nabitih delcev) n in je volumen prevodnika As = A vt, potem je število nabitih delcev v volumnu prevodnika n A v t. Če ima vsak nabit delec naboj q, potem je količina naboja, ki prehaja skozi konec prevodnika v časovnem intervalu t, Q = nq A v t. Torej je električni tok, ki teče skozi konec prevodnika, I = Q/t = nq A v. Medtem ko je gostota toka ali tok na površino prečnega prereza A J = I/A = nq v. Sklepamo lahko, da je tok, ki teče v prevodniku, rezultat množenja gostote nabitih delcev (n), velikosti naboja vsakega delca (q), površine prečnega prereza prevodnika (A) in hitrosti premika nabitih delcev (v).

Preučite naslednji primer problema, da boste razumeli razliko med hitrostjo vsakega nabitega delca in hitrostjo driftanja vseh nabitih delcev.

Primer vprašanja 2:

V bakreni žici s prečnim prerezom 3 x 10 teče konstanten tok 10 amperov.^-6 m²Gostota prostih elektronov je 8,4 x 10²⁸ elektronov/m³Določite hitrost drifta prostih elektronov!
Razprava
Znano je, da:
Električni tok (I) = 10 amperov
Prečni prerez žice (A) = 3 x 10^-6 m²
Gostota prostih elektronov (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Naboj elektrona (q) = 1,6 x 10^-19 C
Vprašano: Hitrost prostega elektronskega drsenja (v)
Odgovor:
Hitrost elektronov se izračuna po prej izpeljani formuli:

Opis: I = električni tok, n = gostota nabitih delcev = gostota prostih elektronov, q = naboj enega elektrona, A = površina prečnega prereza prevodnika, v = hitrost drifta elektronov

Hitrost driftanja elektronov je 0,248 x 10⁻³ ^metrov /sekundo = 0,248 milimetra/sekundo.

Prosti elektroni se gibljejo skupaj v žici s hitrostjo 0,248 milimetra na sekundo. Z drugimi besedami, vsako sekundo se vsi prosti elektroni premaknejo za 0,248 milimetra. To je zelo počasna hitrost. Če je gibanje prostih elektronov tako počasno, zakaj se električna luč prižge takoj po vklopu stikala?

Da bi to razumeli, si tok elektronov v prevodniku predstavljajte kot tok vode v cevi. Če je cev napolnjena z vodo in če je en konec cevi priključen na pipo, bo voda takoj pritekla iz drugega konca. Podobno so v bakreni žici in žici žarnice prosti elektroni. Ko je stikalo vklopljeno, se ustvari električno polje s hitrostjo, ki se približuje svetlobni hitrosti (svetlobna hitrost = 3 x 108 ^metrov /sekundo), zaradi česar se prosti elektroni takoj začnejo premikati skupaj. V žici žarnice so že prosti elektroni, zato se žarnica takoj prižge.