Umeme wa sasa

Ufafanuzi wa Mkondo wa Umeme

Katika kondakta kama vile shaba, kuna elektroni zinazosogea 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 kamili wa elektroni katika mwelekeo fulani. 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, ili uwanja wa umeme uonekane ndani ya waya wa shaba. Uwepo wa uwanja wa umeme husababisha elektroni huru kupata nguvu ya umeme F = q E = e E, ambapo F = nguvu ya umeme , e = chaji ya elektroni, E = uwanja wa umeme . Nguvu hii ya umeme husababisha elektroni zote zinazosonga kwa uhuru kuharakisha pamoja, ambayo ni mwelekeo sawa na nguvu ya umeme.

Elektroni huru zinazosonga pamoja ziko kati ya atomi zinazobaki kwenye waya wa shaba ili elektroni zote zigongane na atomi. Mgongano husababisha mwelekeo wa elektroni huru kubadilika. Elektroni hizi zote huwa hupata nguvu ya umeme ili elektroni zote ziongezeke katika mwelekeo sawa na mwelekeo wa nguvu ya umeme. Baada ya kusonga kwa muda, elektroni huru hugongana na atomi katika waya wa shaba. Lakini elektroni huru huwa hupata nguvu ya umeme ili elektroni zote ziongezeke tena. Kwa hivyo mbali na kusonga bila mpangilio katika pande mbalimbali, elektroni zote huru pia husogea polepole pamoja katika mwelekeo wa nguvu ya umeme na katika mwelekeo kinyume na 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 wenye elektroni huru katika mwelekeo wa nguvu ya umeme una kasi ya polepole sana. Mwendo huu wenye 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 wakati wa kipindi fulani cha muda. Kwa mujibu wa makubaliano, mwelekeo wa mkondo wa umeme ni sawa na mwelekeo wa chaji chanya. Makubaliano haya yalifanywa kabla ya kujulikana kwamba kinachosogea katika kondakta ni elektroni zisizo na chaji hasi. Mwelekeo wa mwendo wa elektroni katika kondakta ni kinyume na mwelekeo wa mkondo wa umeme. Kwa hivyo tukijadili mtiririko wa mkondo katika kondakta, kinachomaanishwa ni mtiririko wa chaji chanya, ambao pia huitwa mkondo wa kawaida kwa sababu ni matokeo ya makubaliano.

Mlinganyo wa mkondo wa umeme

Kihisabati, mkondo wa umeme huonyeshwa na mlinganyo:

I = Δ Q / Δt

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 Ampere, jina la mwanafizikia wa Kifaransa Andre Marie Ampere (1775-1836). Ampere 1 = 1 Coulomb/sekunde (1 A = 1 C/s). Kwa maneno mengine, mkondo wa umeme wa Ampere 1 ni sawa na chaji ya umeme ya Coulomb 1 ambayo hupita kwenye eneo la waya kwa sekunde 1. Mbali na kuonyeshwa katika Ampere, mikondo ya umeme pia huonyeshwa katika milliamperes (1 mA = 10 ^-3 A), microamperes (1 μA = 10 ^-6 A), nanoamperes (1 nA = 10-9 A) au picoamperes (1 pA = 10 ^-12 A).

Mfano wa tatizo la 1:

Mkondo wa Ampea 2 hutiririka kupitia waya kwa sekunde 8. Amua kiasi cha chaji kinachopita kwenye nukta na idadi ya elektroni kwenye chaji hiyo!

Inajulikana:

Mkondo wa umeme (I) = 1 Ampea

Muda wa muda (t) = sekunde 2

Inayohitajika: chaji (Q) na idadi ya elektroni (e)

Ufumbuzi:

Mlinganyo wa mkondo wa umeme:

Mimi = Q/t

I = mkondo wa umeme, Q = chaji ya umeme, t = muda wa muda

Chaji ya umeme:

Q = It = (Ampere 2)(sekunde 8) = 16 C.

Chaji ya elektroni moja ni 1.6 x 10 ^-19 Coulomb, kwa hivyo chaji ya Coulombs 16 ina elektroni nyingi kama 16 C / 1.6 x 10 ^-19 Coulomb = 10 x 10 elektroni ^{19 .}

Mkondo wa umeme, kasi ya kuteleza, na msongamano wa mkondo

Kagua chaji chanya inayosonga kulia kwa kasi, ikielea v kuelekea uwanja wa umeme E

kwenye kondakta ambayo ina eneo la sehemu mtambuka A. Chaji chanya husogea hadi 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 mwisho wa kondakta wakati wa kipindi t ni Q = nq A v t. Kwa hivyo, mkondo wa umeme unaopita kwenye ncha ya kondakta ni I = Q / t = nq A v. Ilhali msongamano wa mkondo au mkondo kwa kila eneo la sehemu mtambuka A ni J = I / A = nq v.

Inaweza kuhitimishwa kwamba mkondo unaotiririka katika kondakta ni matokeo ya kuzidisha kwa msongamano wa chembe zilizochajiwa (n),

kiasi cha chaji kwa kila chembe (q), eneo la kondakta (A) na kasi ya chembe zilizochajiwa (v).

Jifunze mifano ifuatayo ya maswali.

Mfano wa tatizo la 2:

Mkondo wa mara kwa mara wa ampea 10 hutiririka katika waya wa shaba wenye eneo la sehemu ya msalaba la 3 x 10 ^-6 m2 ^. Msongamano wa elektroni huru ni 8.4 x 10 elektroni ^{28 / m3} . Tambua kasi ya kuteleza kwa elektroni huru!

Inajulikana:

Mkondo wa umeme (I) = 10 Ampea

Eneo la waya mtambuka (A) = 3 x 10 ^-6 m ²

Msongamano wa elektroni huru (n) = 8.4 x 10 ²⁸ m ^-3

Chaji ya elektroni (q) = 1.6 x 10 ^-19 C

Inayohitajika: Kasi ya kuteleza kwa elektroni huru (v)

Ufumbuzi:

Kasi ya elektroni huhesabiwa kwa kutumia fomula ambayo imepatikana hapo awali:

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

Kasi ya kuteleza kwa elektroni ni mita 0.248 x 10 ^-3 /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 hadi 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, elektroni hutiririka ndani ya kondakta kama mtiririko wa maji ndani ya hose. Ikiwa hose imejaa maji basi ikiwa ncha moja ya hose imeunganishwa na bomba, maji hutoka mara moja kutoka ncha moja ya hose nyingine. Vile vile, kuna elektroni huru katika waya wa shaba na waya wa balbu. Wakati swichi imewashwa, uwanja wa umeme hutokea kwa kasi inayokaribia kasi ya mwanga (kasi ya mwanga = 3 x 10 mita ⁸ /sekunde), ambayo husababisha elektroni huru kuanza kusonga pamoja wakati huo. Tayari kuna elektroni huru katika waya wa balbu ili mwanga uwe umewashwa wakati huo huo.

Shida na suluhisho

1. Mkondo thabiti wa 10 A upo kwenye waya kwa dakika 2. Kiasi gani cha chaji hupita kupitia kondakta katika eneo lolote.

Inajulikana:

Mkondo wa umeme (I) = 10 A

Muda wa muda (t) = dakika 2 = sekunde 2 x 60 = sekunde 120

Inayohitajika: Malipo (Q)

Suluhisho:

Mlinganyo wa mkondo wa umeme:

Mimi = q/t

I = mkondo wa umeme, q = chaji ya umeme, t = muda wa muda

Chaji ya umeme:

Q = It = (10)(120) = 1200 C

2. Selsiasi 60 za chaji hupita kwa nukta kwenye saketi kwa dakika 5. Mkondo wa umeme ni nini?

Inajulikana:

Muda wa muda (t) = dakika 5 = sekunde 5 x 60 = sekunde 300

Chaji ya umeme (Q) = 60 C

Inayohitajika: Mkondo wa umeme (I)

Suluhisho:

Mkondo wa umeme:

Mimi = Q/t

Mimi = 60/300

I = 0.2 Coulombs/sekunde

I = Ampea 0.2

3. Kitengo cha mkondo wa umeme katika mfumo wa SI ni…

Suluhisho

Coulombs/sekunde

Coulombs/sekunde, zilizopewa jina maalum, Ampere.