Elström

Definition av elektrisk ström

Inuti en ledare som koppar finns elektroner som rör sig fritt och slumpmässigt med höga hastigheter men som inte undkommer från metallen. Elektroner som kan röra sig fritt kallas fria elektroner. Även om elektroner rör sig fritt i alla riktningar, finns det inget nettoflöde av elektroner i någon särskild riktning. Detta tillstånd inträffar när det inte finns någon potentialskillnad mellan koppartrådens två ändar.

När kabeln ansluts till en strömkälla uppstår en potentialskillnad mellan koppartrådens två ändar, vilket skapar ett elektriskt fält inuti koppartråden. elektriskt fält orsakar att fria elektroner upplever elektrisk kraft F = q E = e E, där F = elektrisk kraft, e = elektronladdning, E = elektriskt fältDen elektriska kraften gör att alla fritt rörliga elektroner upplever en gemensam acceleration i samma riktning som den elektriska kraften.

Dessa fria elektroner, som rör sig tillsammans, är placerade mellan de stationära atomerna i koppartråden, vilket gör att alla elektroner kolliderar med dessa atomer. Dessa kollisioner gör att de fria elektronerna ändrar sin rörelseriktning. Alla dessa elektroner utsätts ständigt för en elektrisk kraft, vilket får dem att accelerera i samma riktning som den elektriska kraften. Efter att ha rört sig ett ögonblick kolliderar de fria elektronerna igen med atomerna i koppartråden. De fria elektronerna utsätts dock alltid för en elektrisk kraft, vilket får alla elektroner att accelerera igen.

Så, förutom att röra sig slumpmässigt i olika riktningar, rör sig alla fria elektroner också långsamt tillsammans i den elektriska kraftens riktning och i motsatt riktning mot det elektriska fältet. Det elektriska fältets riktning är från hög elektrisk potential till låg elektrisk potential, medan elektronerna rör sig från låg potential till hög potential. Den slumpmässiga rörelsen för varje fri elektron har en mycket snabb hastighet, medan den kollektiva rörelsen för de fria elektronerna i den elektriska kraftens riktning har en mycket långsam hastighet. Denna kollektiva rörelse för de fria elektronerna i den elektriska kraftens riktning kallas också drifthastighet.

Elektrisk ström definieras som flödet av elektrisk laddning som passerar genom ett tvärsnitt av en ledare under ett visst tidsintervall. Enligt konvention är den elektriska strömmens riktning densamma som rörelseriktningen för positiv laddning. Denna överenskommelse gjordes innan man visste att det som faktiskt rör sig i en ledare är fria elektroner med negativ elektrisk laddning. Elektronernas rörelseriktning i en ledare är motsatt den elektriska strömmens riktning. Därför, när man diskuterar strömmen som flyter i en ledare, menas flödet av positiv laddning, även känt som konventionell ström eftersom det är resultatet av denna överensstämmelse.

Formel för elektrisk ström

Matematiskt uttrycks elektrisk ström med ekvationen:
I = ΔQ / Δt
Formelbeskrivning: I = elektrisk ström, ΔQ = mängden elektrisk laddning, Δt = tidsintervall.

Enhet för elektrisk ström

Enheten för elektrisk laddning är Coulomb, tidsenheten är sekund, så enheten för elektrisk ström är Coulomb/sekund. Coulomb/sekund kallas också Ampere, namnet på den franske fysikern André Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb/sekund (1 A = 1 C/s). Med andra ord är en elektrisk ström på 1 Ampere lika med en elektrisk laddning på 1 Coulomb som passerar genom en tråds tvärsnittsarea i 1 sekund. Förutom att uttryckas i ampere uttrycks elektrisk ström även i milliampere (1 mA = 10^-3 A), mikroampere (1 μA = 10^-6 A), nanoampere (1 nA = 10^-9 A) eller pikoampere (1 pA = 10^-12 EN).

Exempelfråga 1:

En ström på 2 ampere flyter genom en tråd i 8 sekunder. Bestäm storleken på laddningen som passerar genom en punkt och antalet elektroner i den laddningen!
Diskussion
Det är känt att:
Elektrisk ström (I) = 1 ampere
Tidsintervall (t) = 2 sekunder
Frågade: laddning (Q) och antal elektroner (e)
Jawab:
Elektrisk strömformel:
I = Q/t
Formelbeskrivning: I = elektrisk ström, Q = elektrisk laddning, t = tidsintervall
Elektrisk laddning:
Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 Coulomb.

Laddningen för en elektron är 1,6 x 10^-19 Coulomb så att en laddning på 16 Coulomb har 16 C / 1,6 x 10 elektroner^-19 Coulomb = 10 x 10¹⁹ elektron.

Elektrisk ström, drifthastighet och strömtäthet

Betrakta en positiv laddning som rör sig åt höger med drifthastigheten v i riktning mot ett elektriskt fält E i en ledare med tvärsnittsarea A. Den positiva laddningen rör sig en sträcka s = vt under ett tidsintervall t.

Om antalet laddade partiklar per volym (laddad partikeldensitet) är n och ledarens volym är A s = A vt, då är antalet laddade partiklar i ledarens volym n A v t. Om varje laddad partikel har en laddning på q, då är mängden laddning som passerar genom ledarens ände under tidsintervallet t Q = nq A v t. Så den elektriska strömmen som flyter genom ledarens ände är I = Q/t = nq A v. Medan strömdensiteten eller strömmen per tvärsnittsarea A är J = I/A = nq v. Man kan dra slutsatsen att strömmen som flyter i ledaren är resultatet av multiplikationen av densiteten hos laddade partiklar (n), storleken på laddningen för varje partikel (q), ledarens tvärsnittsarea (A) och drifthastigheten för de laddade partiklarna (v).

Studera följande exempelproblem för att förstå skillnaden mellan hastigheten för varje laddad partikel och drifthastigheten för alla laddade partiklar.

Exempelfråga 2:

En konstant ström på 10 ampere flyter genom en koppartråd med en tvärsnittsarea på 3 x 10^-6 m²Den fria elektrondensiteten är 8,4 x 10²⁸ elektroner/m³Bestäm de fria elektronernas drifthastighet!
Diskussion
Det är känt att:
Elektrisk ström (I) = 10 ampere
Trådens tvärsnittsarea (A) = 3 x 10^-6 m²
Fri elektrondensitet (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektronladdning (q) = 1,6 x 10^-19 C
Frågade: Fri elektrondriftshastighet (v)
Jawab:
Elektronernas hastighet beräknas med hjälp av den tidigare härledda formeln:

Beskrivning: I = elektrisk ström, n = densitet av laddade partiklar = densitet av fria elektroner, q = laddningen för en elektron, A = ledarens tvärsnittsarea, v = elektronernas drifthastighet

Elektrondriftshastigheten är 0,248 x 10^-3 meter/sekund = 0,248 millimeter/sekund.

Fria elektroner rör sig tillsammans i en tråd med en hastighet av 0,248 millimeter per sekund. Med andra ord, varje sekund rör sig alla fria elektroner 0,248 millimeter. Detta är en mycket långsam hastighet. Om de fria elektronernas rörelse är så långsam, varför tänds en elektrisk lampa omedelbart efter att strömbrytaren slås på?

För att förstå detta, betrakta elektronflödet i en ledare, likt vattenflödet i en slang. Om slangen är fylld med vatten och ena änden av slangen är ansluten till en kran, kommer vattnet omedelbart att rinna ut i den andra änden. På liknande sätt finns det fria elektroner i koppartråden och tråden i en glödlampa. När strömbrytaren slås på genereras ett elektriskt fält med en hastighet som närmar sig ljusets hastighet (ljusets hastighet = 3 x 10⁸ meter/sekund), vilket gör att de fria elektronerna börjar röra sig mot varandra just i det ögonblicket. Det finns redan fria elektroner i glödlampans tråd så ljuset tänds just i det ögonblicket.