Elektr toki

Elektr tokining ta'rifi

Mis kabi o'tkazgich ichida yuqori tezlikda erkin va tasodifiy harakatlanadigan, ammo metalldan chiqib ketmaydigan elektronlar mavjud. Erkin harakatlana oladigan elektronlar erkin elektronlar deb ataladi. Elektronlar barcha yo'nalishlarda erkin harakatlansa-da, biron bir yo'nalishda elektronlarning sof oqimi bo'lmaydi. Bu holat mis simning ikki uchi o'rtasida potensiallar farqi bo'lmaganda yuzaga keladi.

Sim quvvat manbaiga ulanganda, mis simning ikki uchi o'rtasida potensiallar farqi paydo bo'ladi va shu bilan mis sim ichida elektr maydoni hosil bo'ladi. elektr maydoni erkin elektronlarning paydo bo'lishiga olib keladi elektr kuchi F = q E = e E, bu yerda F = elektr kuchi, e = elektron zaryadi, E = elektr maydoniElektr kuchi barcha erkin harakatlanuvchi elektronlarning elektr kuchi bilan bir yo'nalishda umumiy tezlanishga ega bo'lishiga olib keladi.

Bu erkin elektronlar birgalikda harakatlanib, mis simdagi statsionar atomlar orasida joylashgan bo'lib, barcha elektronlarning bu atomlar bilan to'qnashishiga olib keladi. Bu to'qnashuvlar erkin elektronlarning harakat yo'nalishini o'zgartirishiga olib keladi. Bu elektronlarning barchasi doimiy ravishda elektr kuchiga duchor bo'ladi, bu ularning elektr kuchi bilan bir xil yo'nalishda tezlashishiga olib keladi. Bir lahza harakatlangandan so'ng, erkin elektronlar yana mis simdagi atomlar bilan to'qnashadi. Biroq, erkin elektronlar doimo elektr kuchiga duchor bo'ladi va bu barcha elektronlarning yana tezlashishiga olib keladi.

Shunday qilib, turli yo'nalishlarda tasodifiy harakatlanishdan tashqari, barcha erkin elektronlar elektr kuchi yo'nalishi bo'yicha va elektr maydonining teskari yo'nalishi bo'yicha ham sekin harakatlanadi. Elektr maydonining yo'nalishi yuqori elektr potensialidan past elektr potensialiga, elektronlar esa past potensialdan yuqori potensialga o'tadi. Har bir erkin elektronning tasodifiy harakati juda tez tezlikka ega, erkin elektronlarning elektr kuchi yo'nalishi bo'yicha kollektiv harakati esa juda sekin tezlikka ega. Erkin elektronlarning elektr kuchi yo'nalishi bo'yicha bu kollektiv harakati ham drift tezligi deb ataladi.

Elektr toki oqimi sifatida aniqlanadi elektr zaryadi ma'lum bir vaqt oralig'ida o'tkazgichning kesimidan o'tadi. Konventsiyaga ko'ra, elektr tokining yo'nalishi musbat zaryadning harakat yo'nalishi bilan bir xil. Bu kelishuv o'tkazgichda aslida harakatlanadigan narsa manfiy elektr zaryadiga ega bo'lgan erkin elektronlar ekanligi ma'lum bo'lishidan oldin tuzilgan edi. O'tkazgichdagi elektron harakati yo'nalishi elektr tokining yo'nalishiga teskari. Shuning uchun, o'tkazgichda oqayotgan tok haqida gap ketganda, musbat zaryad oqimi nazarda tutiladi, bu an'anaviy tok deb ham ataladi, chunki u ushbu kelishuv natijasidir.

Elektr toki formulasi

Matematik jihatdan elektr toki quyidagi tenglama bilan ifodalanadi:
I = ΔQ / Δt
Formula tavsifi: I = elektr toki, ΔQ = elektr zaryad miqdori, Δt = vaqt oralig'i.

Elektr tokining o'lchov birligi

Elektr zaryadining oʻlchov birligi Kulon, vaqt birligi sekund, shuning uchun elektr tokining oʻlchov birligi Kulon/sekund. Kulon/sekund ham deyiladi Amper, fransuz fizigi Andre Mari Amperning (1775-1836) ismi. 1 Amper = 1 Kulon/soniya (1 A = 1 Kl/s). Boshqacha qilib aytganda, 1 Amper elektr toki simning ko'ndalang kesim maydonidan 1 soniya davomida o'tadigan 1 Kulon elektr zaryadiga teng. Amperda ifodalanishdan tashqari, elektr toki milliamperlarda ham ifodalanadi (1 mA = 10^-3 A), mikroamperlar (1 μA = 10^-6 A), nanoamperlar (1 nA = 10^-9 A) yoki pikoamperlar (1 pA = 10^-12 A).

1-savolga misol:

Sim orqali 8 soniya davomida 2 Amperlik tok o'tadi. Nuqtadan o'tadigan zaryadning kattaligini va shu zaryaddagi elektronlar sonini aniqlang!
Munozara
Ma'lumki:
Elektr toki (I) = 1 Amper
Vaqt oralig'i (t) = 2 soniya
So'ralgan: zaryad (Q) va elektronlar soni (e)
Javob:
Elektr toki formulasi:
I = Q/t
Formula tavsifi: I = elektr toki, Q = elektr zaryadi, t = vaqt oralig'i
Elektr zaryadi:
Q = I t = (2 Amper)(8 soniya) = 16 Kulon.

Bitta elektronning zaryadi 1,6 x 10 ga teng^-19 Kulon shunday holatda bo'ladiki, 16 Kulon zaryadi 16 C / 1,6 x 10 elektronga ega bo'ladi^-19 Kulon = 10 x 10¹⁹ elektron.

Elektr toki, siljish tezligi va tok zichligi

Ko'ndalang kesim yuzi A bo'lgan o'tkazgichda elektr maydoni E yo'nalishi bo'yicha v tezlikda o'ngga harakatlanayotgan musbat zaryadni ko'rib chiqing. Musbat zaryad t vaqt oralig'ida s = vt masofani bosib o'tadi.

Agar hajmdagi zaryadlangan zarrachalar soni (zaryadlangan zarrachalar zichligi) n va o'tkazgichning hajmi A s = A vt bo'lsa, u holda o'tkazgich hajmidagi zaryadlangan zarrachalar soni n A v t ga teng. Agar har bir zaryadlangan zarrachaning zaryadi q bo'lsa, u holda t vaqt oralig'ida o'tkazgichning uchidan o'tadigan zaryad miqdori Q = nq A v t ga teng. Shunday qilib, o'tkazgichning uchidan oqib o'tadigan elektr toki I = Q/t = nq A v ga teng. A kesimining maydoniga to'g'ri keladigan tok zichligi yoki tok J = I/A = nq v ga teng. Xulosa qilish mumkinki, o'tkazgichda oqayotgan tok zaryadlangan zarrachalar zichligining (n), har bir zarrachaning zaryadining kattaligining (q), o'tkazgichning kesimining maydonining (A) va zaryadlangan zarrachalarning siljish tezligining (v) ko'paytmasining natijasidir.

Har bir zaryadlangan zarrachaning tezligi va barcha zaryadlangan zarrachalarning siljish tezligi o'rtasidagi farqni tushunish uchun quyidagi misol masalasini o'rganing.

2-savolga misol:

3 x 10 kesimli mis simda 10 Amperlik doimiy tok oqadi^-6 m²Erkin elektron zichligi 8,4 x 10 ga teng²⁸ elektronlar/m³Erkin elektronlarning siljish tezligini aniqlang!
Munozara
Ma'lumki:
Elektr toki (I) = 10 Amper
Simning kesim maydoni (A) = 3 x 10^-6 m²
Erkin elektron zichligi (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektron zaryadi (q) = 1,6 x 10^-19 C
So'ralgan: Erkin elektronning siljish tezligi (v)
Javob:
Elektronlarning tezligi avval olingan formula yordamida hisoblanadi:

Tavsif: I = elektr toki, n = zaryadlangan zarrachalar zichligi = erkin elektronlar zichligi, q = bitta elektronning zaryadi, A = o'tkazgichning ko'ndalang kesimining maydoni, v = elektronning siljish tezligi

Elektronning siljish tezligi 0,248 x 10 ga teng^-3 metr/soniya = 0,248 millimetr/soniya.

Erkin elektronlar simda sekundiga 0,248 millimetr tezlikda birga harakatlanadi. Boshqacha qilib aytganda, har soniyada barcha erkin elektronlar 0,248 millimetr harakatlanadi. Bu juda sekin tezlik. Agar erkin elektronlarning harakati shunchalik sekin bo'lsa, nima uchun kalit yoqilgandan so'ng darhol elektr chirog'i yonadi?

Buni tushunish uchun o'tkazgichdagi elektronlar oqimini shlangdagi suv oqimi kabi ko'rib chiqing. Agar shlang suv bilan to'ldirilgan bo'lsa, shlangning bir uchi jo'mrakka ulangan bo'lsa, suv darhol ikkinchi uchidan oqib chiqadi. Xuddi shunday, mis simda va lampochka simida erkin elektronlar mavjud. Kalit yoqilganda, yorug'lik tezligiga yaqin tezlikda elektr maydoni hosil bo'ladi (yorug'lik tezligi = 3 x 10⁸ metr/soniya), bu esa erkin elektronlarning aynan shu paytda birga harakatlanishiga olib keladi. Lampochka simida allaqachon erkin elektronlar mavjud, shuning uchun chiroq aynan shu paytda yonadi.