Mkondo wa umeme

Ufafanuzi wa mkondo wa umeme

Ndani ya kondakta kama shaba, kuna elektroni zinazosogea kwa uhuru na bila mpangilio kwa kasi ya juu lakini hazitoki kutoka kwenye chuma. Elektroni zinazoweza kusogea kwa uhuru huitwa elektroni huru. Ingawa elektroni husogea kwa uhuru katika pande zote, hakuna mtiririko halisi wa elektroni katika mwelekeo wowote maalum. Hali hii hutokea wakati hakuna tofauti inayowezekana kati ya ncha mbili za waya wa shaba.

Wakati waya imeunganishwa na chanzo cha umeme, tofauti inayowezekana hutokea kati ya ncha mbili za waya wa shaba, na hivyo kuunda uwanja wa umeme ndani ya waya wa shaba. uwanja wa umeme husababisha elektroni huru kupata uzoefu nguvu ya umeme F = q E = e E, ambapo F = nguvu ya umeme, e = chaji ya elektroni, E = uwanja wa umemeNguvu ya umeme husababisha elektroni zote zinazosonga kwa uhuru kupata kasi ya kawaida katika mwelekeo sawa na nguvu ya umeme.

Elektroni hizi huru, zikisogea pamoja, ziko kati ya atomi zisizosimama kwenye waya wa shaba, na kusababisha elektroni zote kugongana na atomi hizi. Mgongano huu husababisha elektroni huru kubadilisha mwelekeo wao wa mwendo. Elektroni hizi zote huwekwa chini ya nguvu ya umeme kila wakati, na kuzifanya ziongeze kasi katika mwelekeo sawa na nguvu ya umeme. Baada ya kusonga kwa muda, elektroni huru hugongana tena na atomi kwenye waya wa shaba. Hata hivyo, elektroni huru huwekwa chini ya nguvu ya umeme kila wakati, na kusababisha elektroni zote kuzidi kasi tena.

Kwa hivyo, pamoja na kusonga bila mpangilio katika pande mbalimbali, elektroni zote huru pia husogea pamoja polepole katika mwelekeo wa nguvu ya umeme na katika mwelekeo kinyume wa uwanja wa umeme. Mwelekeo wa uwanja wa umeme ni kutoka kwa uwezo mkubwa wa umeme hadi uwezo mdogo wa umeme, huku elektroni zikisogea kutoka uwezo mdogo hadi uwezo mkubwa. Mwendo wa nasibu wa kila elektroni huru una kasi ya haraka sana, huku mwendo wa pamoja wa elektroni huru katika mwelekeo wa nguvu ya umeme una kasi ya polepole sana. Mwendo huu wa pamoja wa elektroni huru katika mwelekeo wa nguvu ya umeme pia huitwa kasi ya kuteleza.

Mkondo wa umeme hufafanuliwa kama mtiririko wa chaji ya umeme Kupitia sehemu ya msalaba ya kondakta kwa muda fulani. Kwa mujibu wa kanuni, mwelekeo wa mkondo wa umeme ni sawa na mwelekeo wa mwendo wa chaji chanya. Makubaliano haya yalifanywa kabla ya kujulikana kwamba kinachosogea katika kondakta ni elektroni huru zenye chaji hasi ya umeme. Mwelekeo wa mwendo wa elektroni katika kondakta ni kinyume na mwelekeo wa mkondo wa umeme. Kwa hivyo, tunapojadili mtiririko wa mkondo katika kondakta, kinachomaanishwa ni mtiririko wa chaji chanya, pia hujulikana kama mkondo wa kawaida kwa sababu ni matokeo ya makubaliano haya.

Fomula ya mkondo wa umeme

Kihisabati, mkondo wa umeme huonyeshwa na mlinganyo:
I = ΔQ / Δt
Maelezo ya fomula: I = mkondo wa umeme, ΔQ = kiasi cha chaji ya umeme, Δt = muda wa muda.

Kitengo cha mkondo wa umeme

Kitengo cha chaji ya umeme ni Coulomb, kitengo cha muda ni cha pili, kwa hivyo kitengo cha mkondo wa umeme ni Coulomb/sekunde. Coulomb/sekunde pia huitwa Ampea, jina la mwanafizikia wa Kifaransa, Andre Marie Ampere (1775-1836). Ampere 1 = Coulomb 1 / sekunde (1 A = 1 C/s). Kwa maneno mengine, mkondo wa umeme wa Ampere 1 ni sawa na chaji ya umeme ya Coulomb 1 inayopita kwenye eneo la waya kwa sekunde 1. Mbali na kuonyeshwa katika Ampere, mkondo wa umeme pia huonyeshwa katika milliamperes (1 mA = 10^-3 A), mikroampere (1 μA = 10^-6 A), nanoampere (1 nA = 10^-9 A) au picoampere (1 pA = 10^-12 A).

Mfano wa swali la 1:

Mkondo wa Ampea 2 hutiririka kupitia waya kwa sekunde 8. Tambua ukubwa wa chaji inayopita kwenye nukta na idadi ya elektroni kwenye chaji hiyo!
Majadiliano
Inajulikana kwamba:
Mkondo wa umeme (I) = Ampea 1
Muda wa muda (t) = sekunde 2
Aliuliza: chaji (Q) na idadi ya elektroni (e)
Jibu:
Fomula ya mkondo wa umeme:
Mimi = Q/t
Maelezo ya fomula: I = mkondo wa umeme, Q = chaji ya umeme, t = muda wa muda
Chaji ya umeme:
Q = I t = (Ampere 2)(sekunde 8) = Coulombs 16.

Chaji ya elektroni moja ni 1,6 x 10^-19 Coulomb ili chaji ya Coulombs 16 iwe na elektroni 16 C / 1,6 x 10^-19 Coulomb = 10 x 10¹⁹ elektroni.

Mkondo wa umeme, kasi ya kuteleza na msongamano wa mkondo

Fikiria chaji chanya inayosogea kulia ikiwa na kasi ya kuteleza v kuelekea upande wa uwanja wa umeme E katika kondakta yenye eneo la sehemu mtambuka A. Chaji chanya husogea umbali s = vt wakati wa kipindi cha muda t.

Ikiwa idadi ya chembe zilizochajiwa kwa kila ujazo (uzito wa chembe zilizochajiwa) ni n na ujazo wa kondakta ni A s = A vt, basi idadi ya chembe zilizochajiwa katika ujazo wa kondakta ni n A v t. Ikiwa kila chembe iliyochajiwa ina chaji ya q basi kiasi cha chaji kinachopita kwenye mwisho wa kondakta wakati wa muda t ni Q = nq A v t. Kwa hivyo mkondo wa umeme unaopita kwenye mwisho wa kondakta ni I = Q/t = nq A v. Wakati msongamano wa sasa au mkondo kwa kila eneo la sehemu mtambuka A ni J = I/A = nq v. Inaweza kuhitimishwa kuwa mkondo unaopita kwenye kondakta ni matokeo ya kuzidisha msongamano wa chembe zilizochajiwa (n), ukubwa wa chaji ya kila chembe (q), eneo la sehemu mtambuka la kondakta (A) na kasi ya kuteleza ya chembe zilizochajiwa (v).

Soma mfano ufuatao wa tatizo ili kuelewa tofauti kati ya kasi ya kila chembe iliyochajiwa na kasi ya kuteleza ya chembe zote zilizochajiwa.

Mfano wa swali la 2:

Mkondo wa mara kwa mara wa Ampea 10 hutiririka kwenye waya wa shaba wenye eneo la sehemu ya msalaba la 3 x 10^-6 m²Msongamano wa elektroni huru ni 8,4 x 10²⁸ elektroni/m³Tambua kasi ya kuteleza ya elektroni huru!
Majadiliano
Inajulikana kwamba:
Mkondo wa umeme (I) = Ampea 10
Eneo la waya mtambuka (A) = 3 x 10^-6 m²
Uzito wa elektroni huru (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Chaji ya elektroni (q) = 1,6 x 10^-19 C
Aliuliza: Kasi ya kuteleza ya elektroni bila malipo (v)
Jibu:
Kasi ya elektroni huhesabiwa kwa kutumia fomula iliyotokana hapo awali:

Maelezo: I = mkondo wa umeme, n = msongamano wa chembe zilizochajiwa = msongamano wa elektroni huru, q = chaji ya elektroni moja, A = eneo la sehemu ya msalaba ya kondakta, v = kasi ya kuteleza kwa elektroni

Kasi ya kuteleza kwa elektroni ni 0,248 x 10^-3 mita/sekunde = milimita 0,248/sekunde.

Elektroni huru husogea pamoja katika waya kwa kasi ya milimita 0,248 kwa sekunde. Kwa maneno mengine, kila sekunde elektroni huru zote husogea milimita 0,248. Huu ni kasi ya polepole sana. Ikiwa mwendo wa elektroni huru ni polepole sana, kwa nini taa ya umeme huwaka mara moja baada ya swichi kuwashwa?

Ili kuelewa hili, fikiria mtiririko wa elektroni kwenye kondakta kama mtiririko wa maji kwenye hose. Ikiwa hose imejaa maji, ikiwa ncha moja ya hose imeunganishwa na bomba, maji yatatoka mara moja kutoka upande mwingine. Vile vile, kuna elektroni huru kwenye waya wa shaba na waya wa balbu. Wakati swichi imewashwa, uwanja wa umeme huzalishwa kwa kasi inayokaribia kasi ya mwanga (kasi ya mwanga = 3 x 10⁸ mita/sekunde), ambayo husababisha elektroni huru kuanza kusonga pamoja wakati huo huo. Tayari kuna elektroni huru kwenye waya wa balbu ya mwanga hivyo mwanga huwaka wakati huo huo.