Định nghĩa dòng điện
Trong chất dẫn điện như đồng, có những electron chuyển động ngẫu nhiên với tốc độ cao một cách tự do nhưng không thoát ra khỏi kim loại. Những electron có thể chuyển động tự do được gọi là electron tự do. Mặc dù các electron chuyển động tự do theo mọi hướng, nhưng không có dòng electron hoàn toàn theo một hướng cụ thể. 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 một điện trường sẽ hình thành bên trong dây đồng. Sự tồn tại của điện trường khiến các electron tự do chịu tác dụng của 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 đang chuyển động tự do cùng tăng tốc theo cùng hướng với lực điện.
Các electron tự do chuyển động cùng nhau nằm giữa các nguyên tử còn lại trong dây đồng, do đó tất cả các electron đều va chạm với các nguyên tử. Sự va chạm làm thay đổi hướng chuyển động của các electron tự do. Tất cả các electron này luôn chịu tác dụng của lực điện, do đó tất cả các electron đều được gia tốc theo cùng hướng với hướng của lực điện. Sau khi chuyển động một lúc, các electron tự do lại va chạm với các nguyên tử trong dây đồng. Nhưng các electron tự do luôn chịu tác dụng của lực điện, do đó tất cả các electron lại được gia tốc. Vì 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 của các electron tự do theo hướng của lực điện có tốc độ rất chậm. Chuyển động này của các electron tự do theo hướng của lực điện còn được gọi là tốc độ 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 nhất định. Theo quy ước, chiều của dòng điện trùng với chiều của điện tích dương. Quy ước này được đưa ra trước khi người ta biết rằng thực chất 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. Vì vậy, nếu ta nói về dòng điện chạy trong vật dẫn, thì đó chính là dòng điện tích dương, còn được gọi là dòng điện quy ước vì nó là kết quả của một quy ước.
Phương trình dòng điện
Về mặt toán học, dòng điện được biểu diễn bằng phương trình:
I = Δ Q / Δt
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, 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).
Bài toán ví dụ 1:
Dòng điện 2 Ampe chạy qua dây dẫn trong 8 giây. Hãy xác định lượng điện tích đi qua một điểm và số electron trong điện tích đó!
Đã biết:
Dòng điện (I) = 1 Ampe
Khoảng thời gian (t) = 2 giây
Cần tìm: điện tích (Q) và số electron (e)
Giải pháp:
Phương trình dòng điện:
I = Q / t
I = cường độ dòng điện, Q = điện tích, t = khoảng thời gian
Điện tích:
Q = I t = (2 Ampe)(8 giây) = 16 C.
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, tốc độ trôi và mật độ dòng điện
Hãy xem xét điện tích dương đang chuyển động sang phải với vận tốc v, trôi theo hướng của điện trường E.
Trên một dây dẫn có tiết diện 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,
Khi đó, số lượng hạt mang điện trong thể tích của dây dẫn là n A v t. Nếu mỗi hạt mang điện có điện tích q thì lượng điện tích đi qua đầu dây dẫn trong khoảng thời gian t là Q = nq A v t. Vì vậy, dòng điện chạy qua đầu dây 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 dây dẫn là tích của tích số mật độ các hạt mang điện (n).
lượng điện tích của mỗi hạt (q), diện tích của dây dẫn (A) và vận tốc của các hạt mang điện (v).
Hãy nghiên cứu các câu hỏi ví dụ sau đây.
Bài toán ví dụ 2:
Một dòng điện không đổi 10 ampe chạy trong dây đồng có diện tích mặt cắt ngang là 3 x 10⁻⁶ m² . Mật độ electron tự do là 8.4 x 10²⁸ electron/m³ . Hãy xác định tốc độ trôi của electron tự do!
Đã biết:
Dòng điện (I) = 10 Ampe
Diện tích mặt cắt ngang của dây (A) = 3 x 10 -6 m 2
Mật độ electron tự do (n) = 8.4 x 10²⁸ m⁻³
Điện tích electron (q) = 1.6 x 10⁻¹⁹ C
Cần tìm: Tốc độ trôi tự do của electron (v)
Giải pháp:
Tốc độ của electron được tính toán bằng một công thức đã được chứng minh trước đó:
I = dòng điện, n = mật độ hạt mang điện, q = điện tích của một electron, A = diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn, v = vận tốc 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, cứ mỗi giây, tất cả các electron tự do di chuyển được quãng đường 0.248 milimét. Đây là tốc độ rất chậm. Nếu chuyển động của các electron tự do rất chậm, tại sao đèn điện lại bật ngay lập tức sau khi bật công tắc?
Để hiểu điều này, hãy hình dung các electron di chuyển trong chất dẫn điện giống như dòng nước chảy trong ống. Nếu ống chứa đầy nước, khi một đầu ống được nối với vòi nước, nước sẽ ngay lập tức chảy ra từ đầu kia của ống. Tương tự, có các electron tự do trong dây đồng và dây bóng đèn. Khi bật công tắc, một điện trường xuất hiện với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (tốc độ ánh sáng = 3 x 10⁸ mét /giây), khiến các electron tự do bắt đầu chuyển động cùng nhau ngay tại thời điểm đó. Vì đã có sẵn các electron tự do trong dây bóng đèn nên đèn sáng ngay lúc đó.
Các vấn đề và giải pháp
1. Một dòng điện ổn định 10 A chạy qua dây dẫn trong 2 phút. Hỏi lượng điện tích nào đi qua dây dẫn tại bất kỳ vị trí nào?
Đã biết:
Dòng điện (I) = 10 A
Khoảng thời gian (t) = 2 phút = 2 x 60 giây = 120 giây
Cần tìm: Sạc (Q)
Giải pháp:
Phương trình dòng điện:
I = q/t
I = cường độ dòng điện, q = điện tích, t = khoảng thời gian
Điện tích:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Một dòng điện 60 C đi qua một điểm trong mạch điện trong 5 phút. Cường độ dòng điện là bao nhiêu?
Đã biết:
Khoảng thời gian (t) = 5 phút = 5 x 60 giây = 300 giây
Điện tích (Q) = 60 C
Cần tìm: Dòng điện (I)
Giải pháp:
Dòng điện:
I = Q / t
Tôi = 60 / 300
I = 0.2 Coulomb/giây
I = 0.2 Ampe
3. Đơn vị của cường độ dòng điện trong hệ SI là…
Dung dịch
Coulomb/giây
Coulomb/giây, được đặt tên đặc biệt là Ampe.
