Електрична струја

Дефиниција електричне струје

Унутар проводника попут бакра, постоје електрони који се слободно и насумично крећу великим брзинама, али не излазе из метала. Електрони који се могу слободно кретати називају се слободни електрони. Иако се електрони слободно крећу у свим правцима, не постоји нето ток електрона у било ком одређеном правцу. Ово стање се јавља када не постоји потенцијална разлика између два краја бакарне жице.

Када је жица повезана са извором напајања, између два краја бакарне жице настаје потенцијална разлика, стварајући тако електрично поље унутар бакарне жице. електрично поље узрокује појаву слободних електрона електрична сила F = q E = e E, где је F = електрична сила, e = наелектрисање електрона, E = електрично пољеЕлектрична сила узрокује да сви слободно крећући се електрони доживе заједничко убрзање у истом смеру као и електрична сила.

Ови слободни електрони, крећући се заједно, налазе се између стационарних атома у бакарној жици, узрокујући да се сви електрони сударају са тим атомима. Ови судари узрокују да слободни електрони промене смер кретања. Сви ови електрони су стално изложени електричној сили, што узрокује да се убрзају у истом смеру као и електрична сила. Након што се крећу тренутак, слободни електрони се поново сударају са атомима у бакарној жици. Међутим, слободни електрони су увек изложени електричној сили, што узрокује да се сви електрони поново убрзају.

Дакле, поред тога што се крећу насумично у различитим правцима, сви слободни електрони се такође крећу заједно полако у смеру електричне силе и у супротном смеру од електричног поља. Смер електричног поља је од високог електричног потенцијала ка ниском електричном потенцијалу, док се електрони крећу од ниског потенцијала ка високом потенцијалу. Насумично кретање сваког слободног електрона има веома велику брзину, док колективно кретање слободних електрона у смеру електричне силе има веома малу брзину. Ово колективно кретање слободних електрона у смеру електричне силе назива се и брзина дрифта.

Електрична струја је дефинисана као проток електрични набој пролазак кроз попречни пресек проводника током одређеног временског интервала. По конвенцији, смер електричне струје је исти као и смер кретања позитивног наелектрисања. Овај договор је направљен пре него што је постало познато да се у проводнику заправо крећу слободни електрони са негативним електричним наелектрисањем. Смер кретања електрона у проводнику је супротан од смера електричне струје. Стога, када се говори о струји која тече у проводнику, мисли се на ток позитивног наелектрисања, познат и као конвенционална струја, јер је резултат овог договора.

Формула електричне струје

Математички, електрична струја се изражава једначином:
I = ΔQ / Δt
Опис формуле: I = електрична струја, ΔQ = количина електричног наелектрисања, Δt = временски интервал.

Јединица електричне струје

Јединица за електрично наелектрисање је Кулон, јединица за време је секунда, па је јединица за електричну струју Кулон/секунда. Кулон/секунда се такође назива ампер, име француског физичара, Андре Мари Ампера (1775-1836). 1 ампер = 1 кулон/секунда (1 A = 1 C/s). Другим речима, електрична струја од 1 ампера једнака је електричном наелектрисању од 1 кулона које пролази кроз површину попречног пресека жице током 1 секунде. Поред тога што се изражава у амперима, електрична струја се изражава и у милиамперима (1 mA = 10^-3 А), микроампера (1 μA = 10^-6 А), наноампере (1 нА = 10^-9 А) или пикоампера (1 pA = 10^{-КСНУМКС} А).

Пример питања 1:

Струја од 2 ампера тече кроз жицу 8 секунди. Одредити величину наелектрисања које пролази кроз тачку и број електрона у том наелектрисању!
Пембахасан
Познато је да:
Електрична струја (I) = 1 Ампер
Временски интервал (t) = 2 секунда
Питао/ла: наелектрисање (Q) и број електрона (e)
Јаваб :
Формула електричне струје:
И = К/т
Опис формуле: I = електрична струја, Q = електрично наелектрисање, t = временски интервал
Електрични набој:
Q = I t = (2 ампера)(8 секунди) = 16 кулона.

Наелектрисање једног електрона је 1,6 x 10^{-КСНУМКС} Кулон тако да наелектрисање од 16 кулона има 16 C / 1,6 x 10 електрона^{-КСНУМКС} Кулон = 10 x 10¹⁹ електрон.

Електрична струја, брзина дрифта и густина струје

Размотримо позитивно наелектрисање које се креће удесно брзином дрифта v у правцу електричног поља E у проводнику попречног пресека A. Позитивно наелектрисање се помера за растојање s = vt током временског интервала t.

Ако је број наелектрисаних честица по запремини (густина наелектрисаних честица) n, а запремина проводника је A s = A vt, онда је број наелектрисаних честица у запремини проводника n A v t. Ако свака наелектрисана честица има наелектрисање q, онда је количина наелектрисања која пролази кроз крај проводника током временског интервала t Q = nq A v t. Дакле, електрична струја која тече кроз крај проводника је I = Q/t = nq A v. Док је густина струје или струја по површини попречног пресека A J = I/A = nq v. Може се закључити да је струја која тече у проводнику резултат множења густине наелектрисаних честица (n), величине наелектрисања сваке честице (q), површине попречног пресека проводника (A) и брзине дрифта наелектрисаних честица (v).

Проучите следећи пример проблема да бисте разумели разлику између брзине сваке наелектрисане честице и брзине дрифта свих наелектрисаних честица.

Пример питања 2:

Константна струја од 10 ампера тече кроз бакарну жицу попречног пресека 3 x 10^-6 m²Густина слободних електрона је 8,4 x 10²⁸ електрона/м³Одредити брзину дрифта слободних електрона!
Пембахасан
Познато је да:
Електрична струја (I) = 10 Ампер
Попречни пресек жице (А) = 3 x 10^-6 m²
Густина слободних електрона (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Наелектрисање електрона (q) = 1,6 x 10^{-КСНУМКС} C
Питао/ла: Брзина слободног дрифта електрона (v)
Јаваб :
Брзина електрона се израчунава помоћу претходно изведене формуле:

Опис: I = електрична струја, n = густина наелектрисаних честица = густина слободних електрона, q = наелектрисање једног електрона, A = површина попречног пресека проводника, v = брзина дрифта електрона

Брзина дрифта електрона је 0,248 x 10^-3 метар/секунда = 0,248 милиметара/секунда.

Слободни електрони се крећу заједно у жици брзином од 0,248 милиметара у секунди. Другим речима, сваке секунде сви слободни електрони се крећу 0,248 милиметара. Ово је веома мала брзина. Ако је кретање слободних електрона тако споро, зашто се електрична лампа одмах пали након што се укључи прекидач?

Да бисмо ово разумели, размотримо ток електрона у проводнику попут тока воде у цреву. Ако је црево напуњено водом, ако је један крај црева повезан са славином, вода ће одмах потећи на другом крају. Слично томе, постоје слободни електрони у бакарној жици и жици сијалице. Када се прекидач укључи, генерише се електрично поље брзином која се приближава брзини светлости (брзина светлости = 3 x 10⁸ метара/секунди), што узрокује да се слободни електрони почну кретати заједно управо у том тренутку. У жици сијалице већ постоје слободни електрони, тако да се светло пали управо у том тренутку.