Електрична струја

Дефиниција електричне струје

У проводнику као што је бакар, постоје електрони који се крећу насумично великом брзином слободно, 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 укупан ток електрона у 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, тако да се унутар бакарне жице појављује електрично поље. Постојање 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 . Ова електрична сила узрокује да се сви електрони који се слободно крећу убрзавају заједно, што је исти смер као и електрична сила.

Слободни електрони који се крећу заједно налазе се између атома који остају у бакарној жици, тако да се сви електрони сударају са атомима. Судар узрокује промену правца кретања слободних електрона. Сви ови електрони увек доживљавају електричну силу, тако да се сви електрони убрзавају у истом смеру као и смер електричне силе. Након тренутка кретања, слободни електрони сударају са атомима у бакарној жици. Али слободни електрони увек доживљавају електричну силу, тако да се сви електрони поново убрзавају. Дакле, поред тога што се крећу насумично у различитим правцима, сви слободни електрони се такође полако крећу заједно у смеру електричне силе и у супротном смеру од електричног поља. Смер електричног поља је од високог електричног потенцијала до ниског електричног потенцијала, док се електрони крећу од ниског потенцијала до високог потенцијала. Случајно кретање сваког слободног електрона има веома велику брзину, док кретање са слободним електронима у смеру електричне силе има веома малу брзину. Ово кретање са слободним електронима 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. У складу са споразумом, смер електричне струје је исти као и смер позитивног наелектрисања. Овај споразум је направљен пре него што је било познато да се оно што се заправо креће у проводнику јесу негативно наелектрисани слободни електрони. Смер кретања електрона у проводнику је супротан од смера електричне струје. Дакле, ако говоримо о струји која тече у проводнику, мислимо на проток позитивног наелектрисања, који се назива и конвенционална струја јер је резултат споразума.

Једначина електричне струје

Математички, електрична струја се изражава једначином:

I = ΔQ / Δt

I = електрична струја, ΔQ = количина електричног наелектрисања, Δt = временски интервал.

Jedinica električne struje

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 имену француског физичара Андре Мари Ампера (1775-1836). 1 Ампер = 1 Кулон/секунда (1 A = 1 C/s). Другим речима, електрична струја од 1 Ампер једнака је електричном наелектрисању од 1 Кулона које пролази кроз површину попречног пресека жице током 1 секунде. Поред тога што се изражава у амперима, електричне струје се изражавају 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 задатка 1:

Струја од 2 ампера тече кроз жицу 8 секунди. Одреди количину наелектрисања која пролази кроз тачку и број електрона у том наелектрисању!

Познато:

Електрична струја (I) = 1 ампера

Временски интервал (t) = 2 секунди

Тражи се: наелектрисање (Q) и број електрона (e)

Решење:

Једначина електричне струје:

И = К/т

I = електрична струја, Q = електрично наелектрисање, t = временски интервал

Електрични набој:

Q = I t = (2 ампера)(8 секунди) = 16 C.

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

Посматрајте позитивно наелектрисање које се креће удесно брзином v у правцу електричног поља E.

на проводнику који има површину попречног пресека A. Позитивно наелектрисање се помера за s = vt током временског интервала t.

Ако је број наелектрисаних честица по запремини (густина наелектрисаних честица) n и 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 интервала t Q = nq A v t. Дакле, електрична струја која тече кроз врх 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 производ множења густине наелектрисаних честица (n),

количина наелектрисања за сваку честицу (q), површина проводника (A) и брзина наелектрисаних честица (v).

Проучите следеће примере питања.

Пример задатка 2:

Константна струја од 10 ампера тече у бакарној жици попречног пресека од 3 x 10⁻⁶ ^м² . Густина слободних електрона је 8.4 x ^10²⁶ електрона/м³ ^{. Одредити} брзину дрифта слободних електрона!

Познато:

Електрична струја (I) = 10 ампера

Попречни пресек жице (A) = 3 ^{x 10⁻⁶} m²

^{Густина слободних електрона (} n) = 8.4 x ^10²⁻³ m⁻³

Наелектрисање електрона (q) = 1.6 x ^10⁻¹⁴ C

Тражи се: Брзина слободног дрифта електрона (v)

Решење:

Брзина електрона се израчунава помоћу формуле која је раније изведена:

I = електрична струја, n = густина наелектрисаних честица = густина 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 померају чак 0.248 милиметара. То је веома мала брзина. Ако је кретање слободних електрона веома споро, зашто се електрично светло одмах пали након што се прекидач укључи?

Да бисмо ово разумели, електрони теку у проводнику попут тока воде унутар црева. Ако је црево напуњено водом, онда ако је један крај црева повезан са славином, вода одмах истиче са једног краја другог црева. Слично томе, постоје слободни електрони у бакарној жици и жици сијалице. Када се прекидач укључи, настаје електрично поље брзином која се приближава брзини светлости (брзина светлости = 3 x 10 ⁸ метара/секунди), што узрокује да се слободни електрони почну кретати заједно у том тренутку. У жици сијалице већ постоје слободни електрони, тако да је светло упаљено управо у том тренутку.

Проблеми и решења

1. Стална струја од 10 А постоји у жици 2 минута. Колико наелектрисања пролази кроз проводник на било којој локацији?

Познато:

Електрична струја (I) = 10 A

Временски интервал (t) = 2 минута = 2 x 60 секунди = 120 секунди

Тражи се: Наплатак (Q)

Решење:

Једначина електричне струје:

I = q/t

I = електрична струја, q = електрично наелектрисање, t = временски интервал

Електрично наелектрисање:

Q = I t = (10)(120) = 1200°C

2. Наелектрисање од 60 C пролази поред тачке у колу током 5 минута. Колика је јачина електричне струје?

Познато:

Временски интервал (t) = 5 минута = 5 x 60 секунди = 300 секунди

Електрично наелектрисање (Q) = 60 C

Тражи се: Електрична струја (I)

Решење:

Електрична струја:

И = К/т

I = 60 / 300

I = 0.2 кулона/секунди

I = 0.2 ампера

3. Јединица за електричну струју у СИ систему је…

Решење

Кулони/секунда

Кулони/секунде, добили су посебан назив, ампер.