2.3: Заряд і струм

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33840

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Як уже зазначалося, заряд є привабливою силою. Він позначається буквою\(Q\) і має одиниці кулонів. Електрони негативно заряджені, а протони заряджені позитивно. Усі електрони та протони мають однакову величину заряду, приблизно 1,602Е−19 кулона. Таким чином, один кулон еквівалентний заряду, виставленому приблизно 1/1,602Е−19, або 6.242E18 електронів. Далі протилежні заряди притягуються, поки подібні заряди відштовхуються, подібно до полюсів магніту.

Є можливість переміщати заряд з однієї точки в іншу. Швидкість руху заряду з плином часу називається струмом. Він позначається буквою\(I\) і має одиниці ампер (або ампер) ¹. Один підсилювач струму визначається як один кулон в секунду.

\[1 \text{ amp } \equiv 1 \text{ coulomb } / 1 \text{ second } \label{2.1} \]

Тобто один підсилювач можна візуалізувати як приблизно 6.242E18 електронів, що проходять через дріт в період однієї секунди. Розглянемо Рисунок Template:index.

Рисунок Template:index: Визначення струму як потоку заряду через провід.

Тут у нас є провід з електронами, що протікають по ньому в напрямку стрілки. Обрізаємо цей дріт уявною площиною, залишаючи нас з виділеним диском. Тепер уявіть, що ми могли б порахувати кількість електронів, що проходять через цей диск протягом однієї секунди. Оскільки ми знаємо заряд, яким володіє один електрон, ми просто множимо кількість електронів на заряд для кожного, щоб отримати загальний заряд, і таким чином ми приходимо до струму. Як формула:

\[I = Q / t \label{2.2} \]

де

\(I\)це струм в амперах,
\(Q\)це заряд в кулоні,
\(t\)це час у секундах.

Поширеною аналогією для електричного струму є протікання води по трубі або річці. Подібно до того, як ми можемо уявити потік води як «галони або літри на хвилину», ми уявляємо електричний струм як «кулони в секунду».

Приклад Template:index

Протягом півсекунди певний акумулятор видає заряд в три кулона. Визначте результуючий струм.

Рішення

\[I = \frac{Q}{t} \nonumber \]

\[I = \frac{3C}{0.5s} \nonumber \]

\[I = 6 A \nonumber \]

Приклад Template:index

Прилад подає струм 25 мА. Визначте переведений за дві секунди заряд разом з еквівалентним загальним числом електронів.

Рішення

\[I = \frac{Q}{t} \nonumber \]

\[Q = I \times t \nonumber \]

\[Q = 25 mA \times 2s \; \text{ from Definition \ref{2.1}, amp-seconds is coulombs} \nonumber \]

\[Q = 50 mC \nonumber \]

Оскільки один кулон еквівалентний 6.242E18 електронів, просто помножте, щоб знайти загальну кількість переведених електронів.

\[\text{Total electrons } = Q \times \text{ number of electrons per coulomb } \nonumber \]

\[\text{Total electrons } = 50 mC \times 6.242E18 \nonumber \]

\[\text{Total electrons } = 3.121E17 \text{ electrons} \nonumber \]

У сумі, чим більше заряд, переданий протягом заданого періоду часу, тим більше струм. Сучасні електричні та електронні системи можуть мати справу з струмами під пікоампом або, на іншій крайності, тисячами ампер. Це дивовижний діапазон. Це приблизно еквівалентно одній краплі води, що капає з дірявого крана кожну секунду, порівняно з 1000 разів більше потоку води над Ніагарським водоспадом.

Посилання

¹\(I\) означає\(I\) інтенсивність (струму), і був так названий Андре-Марі Ампер.