Електричний струм

Визначення електричного струму

У провіднику, такому як мідь, є електрони, які вільно рухаються з високою швидкістю, але не вириваються з металу. Електрони, які можуть вільно рухатися, називаються вільними електронами. Хоча електрони вільно рухаються в усіх напрямках, повного потоку електронів у певному напрямку немає. Цей стан виникає, коли між двома кінцями мідного дроту немає різниці потенціалів.

Коли дріт підключено до джерела електрики, між двома кінцями мідного дроту виникає різниця потенціалів, внаслідок чого всередині нього виникає електричне поле. Існування електричного поля змушує вільні електрони відчувати електричну силу F = q E = e E, де F = електрична сила, e = заряд електрона, E = електричне полеЦя електрична сила змушує всі електрони, що вільно рухаються, прискорюватися разом, що відповідає напрямку дії електричної сили.

Вільні електрони, що рухаються разом, знаходяться між атомами, що залишаються в мідному дроті, так що всі електрони стикаються з атомами. Зіткнення призводить до зміни напрямку вільних електронів. На всі ці електрони завжди діє електрична сила, тому всі електрони прискорюються в тому ж напрямку, що й напрямок електричної сили. Після руху на мить вільні електрони стикаються з атомами в мідному дроті. Але вільні електрони завжди відчувають електричну силу, тому всі електрони знову прискорюються. Отже, крім хаотичного руху в різних напрямках, усі вільні електрони також повільно рухаються разом у напрямку електричної сили та в напрямку, протилежному напрямку електричного поля. Напрямок електричного поля - від високого електричного потенціалу до низького електричного потенціалу, тоді як електрони рухаються від низького потенціалу до високого потенціалу. Хаотичний рух кожного вільного електрона має дуже велику швидкість, тоді як рух вільних електронів у напрямку електричної сили має дуже повільну швидкість. Цей рух вільних електронів у напрямку електричної сили також називається швидкість дрейфу.

Електричний струм визначається як потік електричного заряду через поперечний переріз провідника протягом певного інтервалу часу. Відповідно до угоди, напрямок електричного струму збігається з напрямком позитивного заряду. Ця угода була укладена до того, як стало відомо, що насправді в провіднику рухаються негативно заряджені вільні електрони. Напрямок руху електронів у провіднику протилежний напрямку електричного струму. Отже, якщо ми обговорюємо струм, що протікає в провіднику, то мається на увазі потік позитивного заряду, який також називають звичайним струмом, оскільки він є результатом угоди.

Рівняння електричного струму

Математично електричний струм виражається рівнянням:

Я = ΔЗ / Δt

I = електричний струм, ΔQ = кількість електричного заряду, Δt = часовий інтервал.

Одиниця електричного струму

Одиницею вимірювання електричного заряду є кулон, одиницею часу — секунда, тому одиницею вимірювання електричного струму є кулон/секунда. Кулон/секунда також називається ампером, на честь французького фізика Андре Марі Ампера (1775-1836). 1 ампер = 1 кулон/секунда (1 А = 1 Кл/с). Іншими словами, електричний струм 1 ампер дорівнює електричному заряду 1 кулон, який проходить через площу поперечного перерізу дроту протягом 1 секунди. Окрім вираження в амперах, електричні струми також виражаються в міліамперах (1 мА = 10^-3 А), мікроампери (1 мкА = 10^-6 А), наноампер (1 нА = 10-9 А) або пікоампер (1 пА = 10^-12 А).

Приклад задачі 1:

Струм силою 2 Ампери протікає по дроту протягом 8 секунд. Визначте величину заряду, що проходить через точку, та кількість електронів у цьому заряді!

Відомі:

Електричний струм (I) = 1 Ампер

Інтервал часу (t) = 2 секунди

Бажано: заряд (Q) та кількість електронів (e)

Рішення:

Рівняння електричного струму:

I = Q/t

I = електричний струм, Q = електричний заряд, t = часовий інтервал

Електричний заряд:

Q = I t = (2 Ампер)(8 секунд) = 16 Кл.

Заряд одного електрона дорівнює 1.6 x 10^-19 Кулона, отже, заряд 16 Кулона має стільки ж електронів, скільки 16 C / 1.6 x 10^-19 Кулон = 10 x 10¹⁹ електрони.

Електричний струм, швидкість дрейфу та густина струму

Розгляньте позитивний заряд, який рухається праворуч зі швидкістю v, дрейфуючи в напрямку електричного поля E.

на провіднику з площею поперечного перерізу A. Позитивний заряд переміщується на відстань s = vt протягом інтервалу часу t.

Якщо кількість заряджених частинок на об'єм (густина заряджених частинок) дорівнює n, а об'єм провідника As = Avt,

тоді кількість заряджених частинок в об'ємі провідника дорівнює n A v t. Якщо кожна заряджена частинка має заряд q, то кількість заряду, що проходить через кінець провідника протягом інтервалу t, дорівнює Q = nq A v t. Отже, електричний струм, що протікає через кінець провідника, дорівнює I = Q / t = nq A v. Тоді як густина струму або сила струму на площу поперечного перерізу A дорівнює J = I / A = nq v.

Можна зробити висновок, що струм, що протікає в провіднику, є добутком множення густини заряджених частинок (n),

величина заряду для кожної частинки (q), площа провідника (A) та швидкість заряджених частинок (v).

Вивчіть наступні приклади питань.

Приклад задачі 2:

Постійний струм 10 ампер протікає в мідному дроті з площею поперечного перерізу 3 х 10^-6 m²Густина вільних електронів становить 8.4 x 10²⁸ електронів/м³Визначте швидкість вільного дрейфу електронів!

Відомі:

Електричний струм (I) = 10 Ампер

Площа поперечного перерізу дроту (А) = 3 x 10^-6 m²

Густина вільних електронів (n) = 8.4 x 10²⁸ m^-3

Заряд електрона (q) = 1.6 x 10^-19 C

Бажано: Швидкість вільного дрейфу електронів (v)

Рішення:

Швидкість електронів розраховується за формулою, яка була виведена раніше:

I = електричний струм, n = густина заряджених частинок = густина електронів, q = заряд одного електрона, A = площа поперечного перерізу провідника, v = швидкість дрейфу електронів

Швидкість дрейфу електронів становить 0.248 x 10^-3 метрів/секунду = 0.248 міліметрів/секунду.

Вільні електрони рухаються разом у дроті зі швидкістю 0.248 міліметра за секунду. Іншими словами, щосекунди всі вільні електрони переміщуються на відстань 0.248 міліметра. Це дуже повільна швидкість. Якщо рух вільних електронів дуже повільний, чому електричне світло вмикається одразу після ввімкнення вимикача?

Щоб зрозуміти це, електрони течуть у провіднику подібно до потоку води всередині шланга. Якщо шланг наповнений водою, то якщо один кінець шланга підключити до крана, вода одразу ж витікає з одного кінця іншого шланга. Аналогічно, вільні електрони є в мідному дроті та дроті лампочки. Коли вмикається вимикач, виникає електричне поле зі швидкістю, що наближається до швидкості світла (швидкість світла = 3 x 10⁸ метрів/секунду), що змушує вільні електрони починати рухатися разом у цей момент. У дроті лампочки вже є вільні електрони, тому світло горить саме в цей момент.

Проблеми та рішення

1. Постійний струм 10 А існує в дроті протягом 2 хвилин. Яка частина його величини заряд проходить через провідник у будь-якому місці.

Відомо:

Електричний струм (I) = 10 А

Інтервал часу (t) = 2 хвилини = 2 x 60 секунд = 120 секунд

Розшукується: Заряд (Q)

Рішення:

Рівняння електричного струму:

I = q/t

I = сила електричного струму, q = електричний заряд, t = інтервал часу

Електричний заряд:

Q = I t = (10)(120) = 1200°C

2. Заряд 60 Кл проходить повз точку в колі протягом 5 хвилин. Яка сила електричного струму?

Відомо:

Інтервал часу (t) = 5 хвилин = 5 x 60 секунд = 300 секунд

Електричний заряд (Q) = 60 Кл

Розшукується: Електричний струм (I)

Рішення:

Електричний струм:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 кулона/секунда

I = 0.2 Ампера

3. Одиницею вимірювання електричного струму в системі СІ є…

Рішення

Кулони/секунда

Кулони/секунди, яким дали спеціальну назву — ампер.