Rrymë elektrike

Përkufizimi i rrymës elektrike

Brenda një përçuesi si bakri, ka elektrone që lëvizin lirisht dhe rastësisht me shpejtësi të lartë, por nuk dalin nga metali. Elektronet që mund të lëvizin lirisht quhen elektrone të lira. Edhe pse elektronet lëvizin lirisht në të gjitha drejtimet, nuk ka rrjedhë neto elektronesh në ndonjë drejtim të veçantë. Kjo gjendje ndodh kur nuk ka ndryshim potenciali midis dy skajeve të telit të bakrit.

Kur teli është i lidhur me një burim energjie, lind një ndryshim potenciali midis dy skajeve të telit të bakrit, duke krijuar kështu një fushë elektrike brenda telit të bakrit. fushë elektrike shkakton që elektronet e lira të përjetojnë forcë elektrike F = q E = e E, ku F = forcë elektrike, e = ngarkesë elektroni, E = fushë elektrikeForca elektrike bën që të gjithë elektronet që lëvizin lirisht të përjetojnë një nxitim të përbashkët në të njëjtin drejtim me forcën elektrike.

Këto elektrone të lira, duke lëvizur së bashku, janë të vendosura midis atomeve stacionare në telin e bakrit, duke bërë që të gjitha elektronet të përplasen me këto atome. Këto përplasje bëjnë që elektronet e lira të ndryshojnë drejtimin e lëvizjes së tyre. Të gjitha këto elektrone i nënshtrohen vazhdimisht një force elektrike, duke bërë që ato të përshpejtohen në të njëjtin drejtim me forcën elektrike. Pasi lëvizin për një moment, elektronet e lira përplasen përsëri me atomet në telin e bakrit. Megjithatë, elektronet e lira i nënshtrohen gjithmonë një force elektrike, duke bërë që të gjitha elektronet të përshpejtohen përsëri.

Pra, përveç lëvizjes rastësore në drejtime të ndryshme, të gjitha elektronet e lira lëvizin së bashku ngadalë në drejtim të forcës elektrike dhe në drejtim të kundërt të fushës elektrike. Drejtimi i fushës elektrike është nga potenciali i lartë elektrik në potencialin e ulët elektrik, ndërsa elektronet lëvizin nga potenciali i ulët në potencialin e lartë. Lëvizja rastësore e secilit elektron të lirë ka një shpejtësi shumë të madhe, ndërsa lëvizja kolektive e elektroneve të lira në drejtim të forcës elektrike ka një shpejtësi shumë të ngadaltë. Kjo lëvizje kolektive e elektroneve të lira në drejtim të forcës elektrike quhet edhe shpejtësi drifti.

Rryma elektrike përkufizohet si rrjedha e ngarkesë elektrike që kalon nëpër një prerje tërthore të një përcjellësi gjatë një intervali të caktuar kohor. Sipas konventës, drejtimi i rrymës elektrike është i njëjtë me drejtimin e lëvizjes së ngarkesës pozitive. Ky marrëveshje u bë përpara se të dihej se ajo që lëviz në të vërtetë në një përcjellës janë elektronet e lira me një ngarkesë elektrike negative. Drejtimi i lëvizjes së elektroneve në një përcjellës është i kundërt me drejtimin e rrymës elektrike. Prandaj, kur diskutohet rryma që rrjedh në një përcjellës, ajo që nënkuptohet është rrjedha e ngarkesës pozitive, e njohur edhe si rrymë konvencionale sepse është rezultat i këtij marrëveshjeje.

Formula e rrymës elektrike

Matematikisht, rryma elektrike shprehet me ekuacionin:
I = ΔQ / Δt
Përshkrimi i formulës: I = rryma elektrike, ΔQ = sasia e ngarkesës elektrike, Δt = intervali kohor.

Njësia e rrymës elektrike

Njësia e ngarkesës elektrike është Kulombi, njësia e kohës është sekonda, pra njësia e rrymës elektrike është Kulombi/sekondë. Kulombi/sekondë quhet edhe amper, emri i fizikanit francez, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Amper = 1 Kulomb/sekondë (1 A = 1 C/s). Me fjalë të tjera, një rrymë elektrike prej 1 Amperi është e barabartë me një ngarkesë elektrike prej 1 Kulombi që kalon nëpër një sipërfaqe të prerjes tërthore të telit për 1 sekondë. Përveç shprehjes në Amper, rryma elektrike shprehet edhe në miliamper (1 mA = 10^-3 A), mikroamper (1 μA = 10^-6 A), nanoamperë (1 nA = 10^-9 A) ose pikoamper (1 pA = 10^-12 A).

Shembull pyetjeje 1:

Një rrymë prej 2 Amperësh rrjedh nëpër një tel për 8 sekonda. Përcaktoni madhësinë e ngarkesës që kalon nëpër një pikë dhe numrin e elektroneve në atë ngarkesë!
Diskutim
Dihet që:
Rryma elektrike (I) = 1 Amper
Intervali kohor (t) = 2 sekonda
Pyeti: ngarkesa (Q) dhe numri i elektroneve (e)
Përgjigje:
Formula e rrymës elektrike:
I = Q/t
Përshkrimi i formulës: I = rrymë elektrike, Q = ngarkesë elektrike, t = interval kohor
Ngarkesë elektrike:
Q = I t = (2 Amper)(8 sekonda) = 16 Kulomb.

Ngarkesa e një elektroni është 1,6 x 10-19 ^Kulomb , kështu që një ngarkesë prej 16 Kulombësh ka aq elektrone sa 16 C / 1,6 x 10-19 ^Kulombësh = 10 x 10 ¹⁹ elektrone.

Rryma elektrike, shpejtësia e zhvendosjes dhe dendësia e rrymës

Konsideroni një ngarkesë pozitive që lëviz në të djathtë me shpejtësi zhvendosjeje v në drejtim të një fushe elektrike E në një përcjellës me sipërfaqe tërthore A. Ngarkesa pozitive lëviz një distancë s = vt gjatë një intervali kohor t.

Nëse numri i grimcave të ngarkuara për vëllim (dendësia e grimcave të ngarkuara) është n dhe vëllimi i përcjellësit është A s = A vt, atëherë numri i grimcave të ngarkuara në vëllimin e përcjellësit është n A v t. Nëse çdo grimcë e ngarkuar ka një ngarkesë q, atëherë sasia e ngarkesës që kalon nëpër fundin e përcjellësit gjatë intervalit kohor t është Q = nq A v t. Pra, rryma elektrike që rrjedh nëpër fundin e përcjellësit është I = Q/t = nq A v. Ndërsa dendësia e rrymës ose rryma për sipërfaqen e prerjes tërthore A është J = I/A = nq v. Mund të konkludohet se rryma që rrjedh në përcjellës është rezultat i shumëzimit të dendësisë së grimcave të ngarkuara (n), madhësisë së ngarkesës së secilës grimcë (q), sipërfaqes së prerjes tërthore të përcjellësit (A) dhe shpejtësisë së zhvendosjes së grimcave të ngarkuara (v).

Studioni problemin e mëposhtëm shembullor për të kuptuar ndryshimin midis shpejtësisë së secilës grimcë të ngarkuar dhe shpejtësisë së zhvendosjes së të gjitha grimcave të ngarkuara.

Shembull pyetjeje 2:

Një rrymë konstante prej 10 Amperësh rrjedh në një tel bakri me një sipërfaqe tërthore prej 3 x 10^-6 m²Dendësia e elektronit të lirë është 8,4 x 10²⁸ elektrone/m³Përcaktoni shpejtësinë e zhvendosjes së elektroneve të lira!
Diskutim
Dihet që:
Rryma elektrike (I) = 10 Amper
Sipërfaqja e prerjes tërthore të telit (A) = 3 x 10^-6 m²
Dendësia e elektroneve të lira (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Ngarkesa e elektronit (q) = 1,6 x 10^-19 C
Pyeti: Shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve të lira (v)
Përgjigje:
Shpejtësia e elektroneve llogaritet duke përdorur formulën e nxjerrë më parë:

Përshkrimi: I = rrymë elektrike, n = dendësia e grimcave të ngarkuara = dendësia e elektroneve të lira, q = ngarkesa e një elektroni, A = sipërfaqja e prerjes tërthore të përçuesit, v = shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve

Shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve është 0,248 x 10^-3 metër/sekondë = 0,248 milimetra/sekondë.

Elektronet e lira lëvizin së bashku në një tel me një shpejtësi prej 0,248 milimetrash në sekondë. Me fjalë të tjera, çdo sekondë të gjitha elektronet e lira lëvizin 0,248 milimetra. Kjo është një shpejtësi shumë e ngadaltë. Nëse lëvizja e elektroneve të lira është kaq e ngadaltë, pse një dritë elektrike ndizet menjëherë pasi ndizet çelësi?

Për ta kuptuar këtë, merrni parasysh rrjedhën e elektroneve në një përçues si rrjedha e ujit në një tub uji. Nëse tubi është i mbushur me ujë, nëse njëri skaj i tubit është i lidhur me një rubinet, uji do të rrjedhë menjëherë nga skaji tjetër. Në mënyrë të ngjashme, ka elektrone të lira në telin e bakrit dhe në telin e një llambë. Kur çelësi është i ndezur, gjenerohet një fushë elektrike me një shpejtësi që i afrohet shpejtësisë së dritës (shpejtësia e dritës = 3 x 10⁸ metra/sekondë), gjë që bën që elektronet e lira të fillojnë të lëvizin së bashku pikërisht në atë moment. Tashmë ka elektrone të lira në telin e llambës, kështu që drita ndizet pikërisht në atë moment.