Përkufizimi i rrymës elektrike
Në një përçues si bakri, ka elektrone që lëvizin rastësisht me shpejtësi të lartë lirisht, 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 totale të elektroneve në një drejtim të caktuar. Kjo gjendje ndodh kur nuk ka ndryshim potenciali midis dy skajeve të telit të bakrit.
Kur teli lidhet me një burim elektrik, lind një ndryshim potencialesh midis dy skajeve të telit të bakrit, në mënyrë që një fushë elektrike të shfaqet brenda telit të bakrit. Ekzistenca e një fushe elektrike bën që elektronet e lira të përjetojnë forcën elektrike F = q E = e E, ku F = forca elektrike , e = ngarkesa e elektronit, E = fusha elektrike . Kjo forcë elektrike bën që të gjithë elektronet që lëvizin lirisht të përshpejtohen së bashku, që është në të njëjtin drejtim me forcën elektrike.
Elektronet e lira që lëvizin së bashku janë midis atomeve që mbeten në telin e bakrit, kështu që të gjitha elektronet përplasen me atomet. Përplasja shkakton ndryshimin e drejtimit të elektroneve të lira. Të gjitha këto elektrone përjetojnë gjithmonë një forcë elektrike, kështu që të gjitha elektronet përshpejtohen në të njëjtin drejtim me drejtimin e forcës elektrike. Pasi lëvizin për një moment, elektronet e lira përplasen me atomet në telin e bakrit. Por elektronet e lira përjetojnë gjithmonë një forcë elektrike, kështu që të gjitha elektronet përshpejtohen përsëri. Pra, përveç lëvizjes rastësore në drejtime të ndryshme, të gjitha elektronet e lira lëvizin gjithashtu ngadalë së bashku në drejtimin e forcës elektrike dhe në drejtim të kundërt me fushën elektrike. Drejtimi i fushës elektrike është nga një potencial i lartë elektrik në një potencial të ulët elektrik, ndërsa elektronet lëvizin nga një potencial i ulët në një potencial të lartë. Lëvizja rastësore e secilit elektron të lirë ka një shpejtësi shumë të madhe, ndërsa lëvizja me elektrone të lira në drejtimin e forcës elektrike ka një shpejtësi shumë të ngadaltë. Kjo lëvizje me elektrone të lira në drejtimin e forcës elektrike quhet edhe shpejtësi zhvendosjeje.
Rryma elektrike përkufizohet si rrjedha e ngarkesës elektrike përmes një prerjeje tërthore të një përçuesi gjatë një intervali të caktuar kohor. Në përputhje me marrëveshjen, drejtimi i rrymës elektrike është i njëjtë me drejtimin e ngarkesës pozitive. Ky marrëveshje u bë përpara se të dihej se ajo që lëviz në të vërtetë në një përçues janë elektronet e lira të ngarkuara negativisht. Drejtimi i lëvizjes së elektroneve në përçues është i kundërt me drejtimin e rrymës elektrike. Pra, nëse diskutojmë rrymën që rrjedh në përçues, ajo që nënkuptohet është rrjedha e ngarkesës pozitive, e cila quhet edhe rrymë konvencionale sepse është rezultat i një marrëveshjeje.
Ekuacioni i rrymës elektrike
Matematikisht, rryma elektrike shprehet me ekuacionin:
I = ΔQ / Δt
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, kështu që njësia e rrymës elektrike është Kulombi/sekondë. Kulombi/sekondë quhet edhe Amper, emri i fizikantit francez Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Amper = 1 Kulombi/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. Përveçse shprehen në Amper, rrymat elektrike shprehen edhe në miliamper (1 mA = 10-3 A ), mikroamper (1 μA = 10-6 A ), nanoamper (1 nA = 10-9 A) ose pikoamper (1 pA = 10-12 A ).
Problemi shembull 1:
Një rrymë prej 2 Amperësh rrjedh nëpër tel për 8 sekonda. Përcaktoni sasinë e ngarkesës që kalon nëpër një pikë dhe numrin e elektroneve në atë ngarkesë!
E njohur:
Rryma elektrike (I) = 1 Amper
Intervali kohor (t) = 2 sekonda
Kërkohet: ngarkesa (Q) dhe numri i elektroneve (e)
Zgjidhja:
Ekuacioni i rrymës elektrike:
I = Q/t
I = rrymë elektrike, Q = ngarkesë elektrike, t = interval kohor
Ngarkesë elektrike:
Q = I t = (2 Amper)(8 sekonda) = 16 C.
Ngarkesa e një elektroni është 1.6 x 10 -19 Kulomb, kështu që ngarkesa prej 16 Kulombësh ka aq elektrone sa 16 C / 1.6 x 10 -19 Kulomb = 10 x 10 19 elektrone.
Rryma elektrike, shpejtësia e zhvendosjes dhe dendësia e rrymës
Rishikoni ngarkesën pozitive që lëviz djathtas me shpejtësinë, duke u zhvendosur v në drejtim të fushës elektrike E.
në një përçues i cili ka një sipërfaqe të prerjes tërthore A. Ngarkesa pozitive lëviz deri në s = vt gjatë intervalit 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 t është Q = nq A v t. Pra, rryma elektrike që rrjedh nëpër majën 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 produkt i shumëzimit të dendësisë së grimcave të ngarkuara (n),
sasia e ngarkesës për secilën grimcë (q), zona e përcjellësit (A) dhe shpejtësia e grimcave të ngarkuara (v).
Studioni pyetjet shembullore të mëposhtme.
Problemi shembull 2:
Një rrymë konstante prej 10 amperësh rrjedh në një tel bakri me një sipërfaqe tërthore prej 3 x 10-6 m2 . Dendësia e elektroneve të lira është 8.4 x 1028 elektrone/m3 . Përcaktoni shpejtësinë e zhvendosjes së elektroneve të lira!
E njohur:
Rryma elektrike (I) = 10 Amper
Sipërfaqja e prerjes tërthore të telit (A) = 3 x 10 -6 m 2
Dendësia e elektroneve të lira (n) = 8.4 x 10 28 m -3
Ngarkesa e elektronit (q) = 1.6 x 10 -19 C
Kërkohet: Shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve të lira (v)
Zgjidhja:
Shpejtësia e elektroneve llogaritet duke përdorur një formulë që është nxjerrë më parë:
I = rrymë elektrike, n = dendësia e grimcave të ngarkuara = dendësia e elektroneve, q = një ngarkesë elektronike, A = sipërfaqja e prerjes tërthore të përçuesit, v = shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve
Shpejtësia e zhvendosjes së elektroneve është 0.248 x 10 -3 metra/sekondë = 0.248 milimetra/sekondë.
Elektronet e lira lëvizin së bashku në një tel me shpejtësi prej 0.248 milimetrash në sekondë. Me fjalë të tjera, çdo sekondë të vetme, të gjitha elektronet e lira lëvizin deri në 0.248 milimetra. Kjo është një shpejtësi shumë e ngadaltë. Nëse lëvizja e elektroneve të lira është shumë e ngadaltë, pse drita elektrike ndizet menjëherë pasi ndizet çelësi?
Për ta kuptuar këtë, elektronet rrjedhin në përçues si rrjedha e ujit brenda tubit. Nëse tubi është i mbushur me ujë, atëherë nëse njëri skaj i tubit është i lidhur me rubinetin, uji rrjedh menjëherë nga njëri skaj i tubit tjetër. Po kështu, ka elektrone të lira në telin e bakrit dhe në telin e llambës. Kur çelësi është i ndezur, lind një fushë elektrike me 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 në atë moment. Tashmë ka elektrone të lira në telin e llambës, kështu që drita është e ndezur në atë moment.
Problemet dhe zgjidhjet
1. Një rrymë konstante prej 10 A ekziston në një tel për 2 minuta. Sa nga sasia e ngarkesës kalon nëpër përcjellës në çdo vend.
I njohur:
Rryma elektrike (I) = 10 A
Intervali kohor (t) = 2 minuta = 2 x 60 sekonda = 120 sekonda
Kërkohet: Ngarkesë (Q)
zgjidhje:
Ekuacioni i rrymës elektrike:
I = q/t
I = rryma elektrike, q = ngarkesa elektrike, t = intervali kohor
Ngarkesa elektrike:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Një ngarkesë prej 60 C kalon pranë një pike në qark për 5 minuta. Çfarë është rryma elektrike?
I njohur:
Intervali kohor (t) = 5 minuta = 5 x 60 sekonda = 300 sekonda
Ngarkesa elektrike (Q) = 60 C
Kërkohet: Rryma elektrike (I)
zgjidhje:
Rryma elektrike:
I = Q/t
I = 60/300
I = 0.2 Kulomb/sekondë
I = 0.2 Amper
3. Njësia e rrymës elektrike në sistemin SI është…
Zgjidhje
Kulomb/sekondë
Kulomb/sekonda, të cilëve u është dhënë një emër i veçantë, Amperi.
