Định nghĩa dòng điện
Bên trong một chất dẫn điện như đồng, có các electron chuyển động tự do và ngẫu nhiên với tốc độ cao nhưng không thoát ra khỏi kim loại. Các electron có thể chuyển động tự do được gọi là electron tự do. Mặc dù electron chuyển động tự do theo mọi hướng, nhưng không có dòng electron tịnh tiến theo bất kỳ hướng cụ thể nào. Tình trạng này xảy ra khi không có hiệu điện thế giữa hai đầu dây đồng.
Khi dây dẫn được nối với nguồn điện, một hiệu điện thế sẽ xuất hiện giữa hai đầu dây đồng, do đó tạo ra một điện trường trong dây đồng. Sự hiện diện của điện trường khiến các electron tự do chịu một lực điện F = qE = eE, trong đó F là lực điện, e là điện tích của electron, E là điện trường . Lực điện này làm cho tất cả các electron chuyển động tự do đều chịu một gia tốc chung theo cùng hướng với lực điện.
Các electron tự do này, chuyển động cùng nhau, nằm giữa các nguyên tử cố định trong dây đồng, khiến tất cả các electron va chạm với các nguyên tử này. Những va chạm này làm cho các electron tự do thay đổi hướng chuyển động của chúng. Tất cả các electron này liên tục chịu tác dụng của một lực điện, khiến chúng tăng tốc theo cùng hướng với lực điện. Sau khi chuyển động một lúc, các electron tự do lại va chạm với các nguyên tử trong dây đồng. Tuy nhiên, các electron tự do luôn chịu tác dụng của một lực điện, khiến tất cả các electron lại tăng tốc.
Như vậy, ngoài việc chuyển động ngẫu nhiên theo nhiều hướng khác nhau, tất cả các electron tự do cũng chuyển động chậm cùng nhau theo hướng của lực điện và ngược hướng với điện trường. Hướng của điện trường là từ điện thế cao đến điện thế thấp, trong khi các electron chuyển động từ điện thế thấp đến điện thế cao. Chuyển động ngẫu nhiên của mỗi electron tự do có tốc độ rất nhanh, trong khi chuyển động tập thể của các electron tự do theo hướng của lực điện có tốc độ rất chậm. Chuyển động tập thể này của các electron tự do theo hướng của lực điện còn được gọi là vận tốc trôi.
Dòng điện được định nghĩa là sự chuyển động của điện tích qua tiết diện của một vật dẫn trong một khoảng thời gian xác định. Theo quy ước, chiều của dòng điện trùng với chiều chuyển động của các điện tích dương. Sự đồng thuận này được đưa ra trước khi người ta biết rằng trên thực tế, thứ chuyển động trong vật dẫn là các electron tự do mang điện tích âm. Chiều chuyển động của electron trong vật dẫn ngược với chiều của dòng điện. Do đó, khi thảo luận về dòng điện chạy trong vật dẫn, điều được đề cập đến là sự chuyển động của các điện tích dương, còn được gọi là dòng điện quy ước vì nó là kết quả của sự đồng thuận này.
Công thức dòng điện
Về mặt toán học, dòng điện được biểu diễn bằng phương trình:
I = ΔQ / Δt
Mô tả công thức: I = cường độ dòng điện, ΔQ = lượng điện tích, Δt = khoảng thời gian.
Đơn vị của dòng điện
Đơn vị của điện tích là Coulomb, đơn vị của thời gian là giây, vì vậy đơn vị của dòng điện là Coulomb/giây. Coulomb/giây còn được gọi là Ampe , được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampe = 1 Coulomb/giây (1 A = 1 C/s). Nói cách khác, dòng điện 1 Ampe tương đương với điện tích 1 Coulomb chạy qua tiết diện của dây dẫn trong 1 giây. Ngoài việc được biểu thị bằng Ampe, dòng điện cũng được biểu thị bằng miliampe (1 mA = 10⁻³ A ), microampe (1 μA = 10⁻⁶ A ), nanoampe (1 nA = 10⁻⁹ A ) hoặc picoampere (1 pA = 10⁻¹² A).
Ví dụ câu hỏi 1:
Một dòng điện 2 Ampe chạy qua dây dẫn trong 8 giây. Hãy xác định độ lớn của điện tích đi qua một điểm và số electron trong điện tích đó!
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Dòng điện (I) = 1 Ampe
Khoảng thời gian (t) = 2 giây
Yêu cầu: điện tích (Q) và số electron (e)
Hàm:
Công thức dòng điện:
I = Q / t
Mô tả công thức: I = cường độ dòng điện, Q = điện tích, t = khoảng thời gian
Điện tích:
Q = I t = (2 Ampe)(8 giây) = 16 Coulomb.
Điện tích của một electron là 1,6 x 10⁻¹⁹ Coulomb , vì vậy điện tích 16 Coulomb có số electron bằng 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x 10¹⁹ electron.
Dòng điện, vận tốc trôi và mật độ dòng điện
Xét một điện tích dương chuyển động sang phải với vận tốc trôi v theo hướng của điện trường E trong một dây dẫn có diện tích mặt cắt ngang A. Điện tích dương di chuyển một quãng đường s = vt trong khoảng thời gian t.
Nếu số lượng hạt mang điện trên một đơn vị thể tích (mật độ hạt mang điện) là n và thể tích của vật dẫn là A s = A vt, thì số lượng hạt mang điện trong thể tích vật dẫn là n A v t. Nếu mỗi hạt mang điện có điện tích q thì lượng điện tích đi qua đầu vật dẫn trong khoảng thời gian t là Q = nq A v t. Vì vậy, dòng điện chạy qua đầu vật dẫn là I = Q/t = nq A v. Trong khi đó, mật độ dòng điện hay dòng điện trên diện tích mặt cắt ngang A là J = I/A = nq v. Có thể kết luận rằng dòng điện chạy trong vật dẫn là kết quả của tích số giữa mật độ hạt mang điện (n), độ lớn điện tích của mỗi hạt (q), diện tích mặt cắt ngang của vật dẫn (A) và vận tốc trôi của các hạt mang điện (v).
Hãy nghiên cứu ví dụ bài toán sau để hiểu sự khác biệt giữa tốc độ của từng hạt mang điện và tốc độ trôi của tất cả các hạt mang điện.
Ví dụ câu hỏi 2:
Dòng điện không đổi 10 Ampe chạy trong dây đồng có tiết diện 3 x 10 m.-6 m2Mật độ electron tự do là 8,4 x 10¹⁰.28 electron/m3Hãy xác định tốc độ trôi của các electron tự do!
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Dòng điện (I) = 10 Ampe
Diện tích mặt cắt ngang của dây (A) = 3 x 10-6 m2
Mật độ electron tự do (n) = 8,4 x 1028 m-3
Điện tích electron (q) = 1,6 x 10-19 C
Yêu cầu: Tốc độ trôi tự do của electron (v)
Hàm:
Tốc độ của electron được tính bằng công thức đã được suy ra trước đó:
Mô tả: I = dòng điện, n = mật độ hạt mang điện, n = mật độ electron tự do, q = điện tích của một electron, A = diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn, v = tốc độ trôi của electron.
Tốc độ trôi của electron là 0,248 x 10⁻³ mét /giây = 0,248 milimét/giây.
Các electron tự do chuyển động cùng nhau trong dây dẫn với tốc độ 0,248 milimét mỗi giây. Nói cách khác, mỗi giây tất cả các electron tự do di chuyển được 0,248 milimét. Đây là tốc độ rất chậm. Nếu chuyển động của các electron tự do chậm như vậy, tại sao đèn điện lại bật ngay lập tức sau khi bật công tắc?
Để hiểu điều này, hãy xem xét sự chuyển động của các electron trong chất dẫn điện như sự chuyển động của nước trong một ống dẫn. Nếu ống dẫn chứa đầy nước, thì nếu một đầu ống được nối với vòi nước, nước sẽ ngay lập tức chảy ra ở đầu kia. Tương tự, có các electron tự do trong dây đồng và dây dẫn của bóng đèn. Khi công tắc được bật, một điện trường được tạo ra với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (tốc độ ánh sáng = 3 x 10⁸ mét /giây), khiến các electron tự do ngay lập tức bắt đầu chuyển động cùng nhau. Vì đã có sẵn các electron tự do trong dây dẫn của bóng đèn, nên bóng đèn bật sáng ngay lập tức.
