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 електричним извором, између два краја бакарне жице настаје потенцијална разлика, стварајући тако електрично поље у бакарној жици. Присуство електричног поља узрокује да слободни електрони доживе електричну силу F = q E = e E, где је F = електрична сила, e = наелектрисање електрона, E = електрично поље . Електрична 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 се дефинише као проток електричног наелектрисања кроз попречни пресек проводника током одређеног временског интервала. По конвенцији, смер електричне струје је исти као и смер кретања позитивних наелектрисања. Овај договор је направљен пре него што је постало познато да се у проводнику заправо крећу слободни, негативно наелектрисани електрони. Смер кретања електрона у проводнику је супротан од смера електричне струје. Стога, када се говори о струји која тече у проводнику, мисли се на проток позитивних 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 назива и ампер , по француском физичару Андре Мари Амперу (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 попречни пресек жице током 1 секунде. Поред тога што се изражава у амперима, електрична струја се изражава и у милиамперима (1 mA = 10⁻³ ^A ), микроамперима (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), наноамперима (1 nA = 10⁻⁹ ^A ) или пикоамперима (1 pA = 10⁻¹² ^A ).

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 10⁻¹⁴ ^кулона , тако да наелектрисање од 16 кулона има онолико електрона колико и 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁴ ^кулона = 10 x ^10⁻¹⁴ електрона.

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 ^метара /секунди = 0,248 милиметара/секунди.

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 као ток воде у цреву. Ако је црево напуњено водом, онда ако је један крај црева повезан са славином, вода ће одмах потећи из другог краја. 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 10⁶ ^метара /секунди), што узрокује да се слободни електрони одмах почну кретати заједно. У жици сијалице већ постоје слободни електрони, па се сијалица одмах пали.