Elektrisk ström

Definition av elektrisk ström

I en ledare som koppar finns det elektroner som rör sig slumpmässigt fritt med hög hastighet men som inte undkommer metallen. Elektroner som kan röra sig fritt kallas fria elektroner. Även om elektronerna rör sig fritt i alla riktningar, finns det inget totalt flöde av elektroner i en viss riktning. Detta tillstånd inträffar när det inte finns någon potentialskillnad mellan koppartrådens två ändar.

När tråden ansluts till en elektrisk källa uppstår en potentialskillnad mellan koppartrådens två ändar, så att ett elektriskt fält uppstår inuti koppartråden. Förekomsten av ett elektriskt fält gör att fria elektroner upplever den elektriska kraften F = q E = e E, där F = elektrisk kraft , e = elektronladdning, E = elektriskt fält . Denna elektriska kraft gör att alla elektroner som rör sig fritt accelererar tillsammans, vilket är i samma riktning som den elektriska kraften.

De fria elektronerna som rör sig tillsammans finns mellan atomerna som finns kvar i koppartråden så att alla elektroner kolliderar med atomerna. Kollisionen gör att de fria elektronernas riktning ändras. Alla dessa elektroner upplever alltid en elektrisk kraft så att alla elektroner accelereras i samma riktning som den elektriska kraftens riktning. Efter att ha rört sig ett ögonblick kolliderar fria elektroner med atomer i koppartråden. Men fria elektroner upplever alltid en elektrisk kraft så att alla elektroner accelereras igen. Så förutom att röra sig slumpmässigt i olika riktningar rör sig alla fria elektroner också långsamt tillsammans i riktning mot den elektriska kraften och i motsatt riktning mot det elektriska fältet. Riktningen för det elektriska fältet är från en hög elektrisk potential till en låg elektrisk potential, medan elektronerna rör sig från en låg potential till en hög potential. Den slumpmässiga rörelsen för varje fri elektron har en mycket snabb hastighet, medan rörelsen med fria elektroner i riktning mot den elektriska kraften har en mycket långsam hastighet. Denna rörelse med fria elektroner i riktning mot den elektriska kraften kallas också drifthastighet.

Elektrisk ström definieras som flödet av elektrisk laddning genom ett tvärsnitt av en ledare under ett visst tidsintervall. Enligt överenskommelsen är den elektriska strömmens riktning densamma som den positiva laddningens riktning. Denna överenskommelse gjordes innan man visste att det som faktiskt rör sig i en ledare är negativt laddade fria elektroner. Elektronernas rörelseriktning i ledaren är motsatt den elektriska strömmens riktning. Så om vi diskuterar strömmen som flyter i ledaren, menas flödet av positiv laddning, vilket också kallas konventionell ström eftersom det är resultatet av en överenskommelse.

Ekvationen för elektrisk ström

Matematiskt uttrycks elektrisk ström med ekvationen:

I = ΔFråga / At

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 tvärsnittsarea av en tråd i 1 sekund. Förutom att uttryckas i ampere, uttrycks elektriska strömmar även i milliampere (1 mA = 10^-3 A), mikroampere (1 μA = 10^-6 A), nano ampere (1 nA = 10-9 A) eller pikoampere (1 pA = 10^-12 EN).

Exempelproblem 1:

En ström på 2 ampere flyter genom tråden i 8 sekunder. Bestäm mängden laddning som passerar genom en punkt och antalet elektroner i den laddningen!

Känd:

Elektrisk ström (I) = 1 ampere

Tidsintervall (t) = 2 sekunder

Efterlyst: laddning (Q) och antal elektroner (e)

Lösning:

Ekvation för elektrisk ström:

I = Q/t

I = elektrisk ström, Q = elektrisk laddning, t = tidsintervall

Elektrisk laddning:

Q = I t = (2 ampere)(8 sekunder) = 16 °C.

Laddningen för en elektron är 1.6 x 10^-19 Coulomb, så laddningen på 16 Coulomb har lika många elektroner som 16 C / 1.6 x 10^-19 Coulomb = 10 x 10¹⁹ elektroner.

Elektrisk ström, drifthastighet och strömtäthet

Granska den positiva laddningen som rör sig åt höger med hastigheten v och driver i riktning mot det elektriska fältet E.

på en ledare som har en tvärsnittsarea A. Positiv laddning rör sig så långt som s = vt under tidsintervallet t.

Om antalet laddade partiklar per volym (denstiteten hos laddade partiklar) 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, så är mängden laddning som passerar genom ledarens ände under intervallet t Q = nq A v t. Så den elektriska strömmen som flyter genom ledarens spets är I = Q / t = nq A v. Medan strömtätheten eller strömmen per tvärsnittsarea A är J = I / A = nq v.

Man kan dra slutsatsen att strömmen som flyter i ledaren är produkten av multiplikationen av densiteten hos de laddade partiklarna (n),

mängden laddning för varje partikel (q), ledarens area (A) och hastigheten hos de laddade partiklarna (v).

Studera följande exempelfrågor.

Exempelproblem 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 hastigheten för fri elektrondrift!

Känd:

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

Efterlyst: Hastighet för fri elektrondrift (v)

Lösning:

Elektronernas hastighet beräknas med hjälp av en formel som har härletts tidigare:

I = elektrisk ström, n = densitet av laddade partiklar = elektrondensitet, q = en elektronladdning, A = ledarens tvärsnittsarea, v = elektrondriftens hastighet

Elektrondriftens hastighet 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 så långt som 0.248 millimeter. Detta är en mycket långsam hastighet. Om de fria elektronernas rörelse är mycket långsam, varför tänds det elektriska ljuset omedelbart efter att strömbrytaren slås på?

För att förstå detta, så flödar elektroner i ledaren likt vattenflödet inuti slangen. Om slangen är fylld med vatten, och om ena änden av slangen är ansluten till kranen, flödar vattnet omedelbart ut från ena änden av den andra slangen. Likaså finns det fria elektroner i koppartråden och glödlampstråden. När strömbrytaren slås på uppstår ett elektriskt fält med en hastighet som närmar sig ljusets hastighet (ljusets hastighet = 3 x 10⁸ meter/sekund), vilket gör att fria elektroner börjar röra sig mot varandra i det ögonblicket. Det finns redan fria elektroner i glödlampans tråd så att ljuset är tänt just i det ögonblicket.

Problem och lösningar

1. En konstant ström på 10 A finns i en ledning i 2 minuter. Hur stor del av mängden laddning passerar genom ledaren var som helst.

Känd:

Elektrisk ström (I) = 10 A

Tidsintervall (t) = 2 minuter = 2 x 60 sekunder = 120 sekunder

Önskad: Laddning (Q)

lösning:

Ekvation för elektrisk ström:

I = q/t

I = den elektriska strömmen, q = den elektriska laddningen, t = tidsintervallet

Den elektriska laddningen:

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

2. 60 C laddning passerar förbi en punkt i kretsen i 5 minuter. Vad är den elektriska strömmen?

Känd:

Tidsintervallet (t) = 5 minuter = 5 x 60 sekunder = 300 sekunder

Den elektriska laddningen (Q) = 60 C

Önskad: Den elektriska strömmen (I)

lösning:

Den elektriska strömmen:

I = Q/t

Jag = 60 300 XNUMX / XNUMX

I = 0.2 Coulomb/sekund

I = 0.2 ampere

3. Enheten för elektrisk ström i SI-systemet är…

Lösning

Coulomb/sekund

Coulomb/sekunder, fått ett särskilt namn, ampere.