Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

19.2: Електричний струм

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    75190

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

    цілі навчання

    • Опишіть функції та визначте основні компоненти акумулятора

    Акумулятор - це пристрій, який перетворює хімічну енергію безпосередньо в електричну. Він складається з ряду вольтаїчних осередків, з'єднаних послідовно провідним електролітом, що містить аніони і катіони. Один напівелемент включає електроліт і анод, або негативний електрод; інша половина комірки включає електроліт і катод, або позитивний електрод. У окисно-відновній (відновлення-окислення) реакції, яка живить акумулятор, катіони відновлюються (додаються електрони) на катоді, в той час як аніони окислюються (видаляються електрони) на аноді. Електроди не торкаються один одного, а електрично з'єднані електролітом. Деякі клітини використовують дві напівклітини з різними електролітами. Сепаратор між напівклітинами дозволяє іонам текти, але перешкоджає перемішуванню електролітів.

    Кожна напівкомірка має електрорушійну силу (або ЕРС), що визначається її здатністю проганяти електричний струм від внутрішньої сторони до зовнішньої частини осередку. Чиста ЕРС клітини - це різниця між ЕРС її напівклітин, або різниця між відновними потенціалами напівреакцій.

    Електрична рушійна сила на клемах комірки відома як напруга клеми (різниця) і вимірюється в вольтах. Коли акумулятор підключений до ланцюга, електрони від анода рухаються по ланцюгу до катода в прямому ланцюзі. Напруга акумулятора є синонімом його електрорушійної сили, або ЕРС. Ця сила відповідає за протікання заряду по ланцюгу, відомому як електричний струм.

    Акумулятор зберігає електричний потенціал від хімічної реакції. Коли він підключений до ланцюга, цей електричний потенціал перетворюється в кінетичну енергію, коли електрони рухаються по ланцюгу. Електричний потенціал визначається як потенційна енергія на одиницю заряду (q). Напруга, або різниця потенціалів, між двома точками визначається як зміна потенційної енергії заряду q, переміщеного з точки 1 в точку 2, розділену на заряд. Переставлені, це математичне співвідношення можна описати як:

    \[\Delta \mathrm { PE } = \mathrm { q } \Delta \mathrm { V }\]

    Напруга - це не те саме, що енергія. Напруга - це енергія на одиницю заряду. Таким чином, акумулятор мотоцикла і автомобільний акумулятор можуть мати однакову напругу (точніше, однакову різницю потенціалів між клемами акумулятора), але один зберігає набагато більше енергії, ніж інший. Автомобільний акумулятор може переміщати більше заряду, ніж акумулятор мотоцикла, хоча обидва - батареї 12 В.

    Ідеальні та справжні батареї: Короткий вступ до ідеальних та реальних акумуляторів для студентів, які вивчають схеми.

    зображення

    Символ батареї на схемі: Це символ батареї на схемі. Він зародився як схематичне креслення самого раннього типу батареї, вольтаїчної палі. Зверніть увагу на позитивний катод і негативний анод. Така орієнтація важлива при складанні принципових схем, щоб зобразити правильний потік електронів.

    Вимірювання струму і напруги в ланцюгах

    Електричний струм прямо пропорційний прикладеному напрузі і обернено пов'язаний з опором в ланцюзі.

    цілі навчання

    • Опишіть взаємозв'язок між електричним струмом, напругою та опором в ланцюзі

    Щоб зрозуміти, як вимірювати струм і напругу в ланцюзі, необхідно також мати загальне уявлення про те, як працює схема і як пов'язані її електричні вимірювання.

    Що таке напруга? : Це відео допомагає з концептуальним розумінням напруги.

    Електричний ланцюг - це тип мережі, що має замкнутий контур, що забезпечує зворотний шлях для струму. Проста схема складається з джерела напруги і резистора і може бути схематично представлена як в.

    зображення

    простий ланцюг: простий електричний ланцюг, що складається з джерела напруги та резистора

    Згідно із законом Ома, електричний струм I, або рух заряду, що протікає через більшість речовин, прямо пропорційний напрузі V, прикладеному до нього. Електрична властивість, що перешкоджає струму (грубо схоже на тертя і опір повітря) називається опором R. Зіткнення рухомих зарядів з атомами і молекулами в речовині передають енергію речовині і обмежують струм. Опір обернено пропорційно струму. Таким чином, закон Ома можна записати наступним чином:

    \[\mathrm { I } = \dfrac{\mathrm { V } }{ \mathrm { R }}\]

    де I - струм через провідник в амперах, V - різниця потенціалів, виміряна по провіднику в вольтах, а R - опір провідника в Омах (Ом). Більш конкретно, закон Ома говорить, що R в цьому відношенні є постійним, незалежним від струму. Використовуючи це рівняння, ми можемо обчислити струм, напругу або опір в заданій схемі.

    Наприклад, якщо у нас була батарея 1,5 В, яка була підключена по замкнутому ланцюгу до лампочки з опором 5 Ом, який струм протікає по ланцюгу? Щоб вирішити цю проблему, ми б просто підставили задані значення в закон Ома: I = 1.5V/5Ω; I = 0,3 ампера. Якщо ми знаємо струм і опір, ми можемо переставити рівняння закону Ома і вирішити для напруги V:

    \[\mathrm { V } = \mathrm { IR }\]

    Мікроскопічний вигляд: Швидкість дрейфу

    Швидкість дрейфу - це середня швидкість, яку частинка досягає завдяки електричному полю.

    цілі навчання

    • Пов'язати швидкість дрейфу зі швидкістю вільних зарядів в провідниках

    Швидкість дрейфу

    Відомо, що електричні сигнали рухаються дуже швидко. Телефонні розмови, що проводяться струмами в проводах, охоплюють великі відстані без помітних затримок. Світло загоряється, як тільки перемикач клацнув. Більшість електричних сигналів, що переносяться струмами, рухаються зі швидкістю близько 10 8 м/с, що становить значну частку швидкості світла. Цікаво, що окремі заряди, що складають струм, рухаються в середньому набагато повільніше, зазвичай дрейфуючи зі швидкістю близько 10 −4 м/с.

    Висока швидкість електричних сигналів виникає в результаті того, що сила між зарядами діє швидко на відстані. Таким чином, коли вільний заряд вимушений в провід, що надходить заряд штовхає попереду нього інші заряди, які в свою чергу штовхають на заряди далі вниз по лінії. Отримана електрична ударна хвиля рухається по системі майже зі швидкістю світла. Якщо бути точним, то цей швидко рухається сигнал або ударна хвиля - це швидко поширюється зміна електричного поля.

    зображення

    Електрони, що рухаються через провідник: Коли заряджені частинки змушені потрапляти в цей об'єм провідника, рівне число швидко змушують піти. Відштовхування між подібними зарядами ускладнює збільшення кількості зарядів в обсязі. Таким чином, у міру надходження одного заряду інший майже відразу йде, несучи сигнал стрімко вперед.

    Швидкість дрейфу

    Хороші провідники мають в них велику кількість вільних зарядів. У металах вільні заряди - це вільні електрони. Відстань, яке може переміщатися окремий електрон між зіткненнями з атомами або іншими електронами, досить мало. Таким чином, електронні шляхи виглядають майже випадковими, як рух атомів у газі. Однак в провіднику є електричне поле, яке змушує електрони дрейфувати в показаному напрямку (протилежному полю, так як вони негативні). Швидкість дрейфу v d - середня швидкість вільних зарядів після застосування поля. Швидкість дрейфу досить мала, так як є дуже багато безкоштовних зарядів. З огляду на оцінку щільності вільних електронів в провіднику (кількість електронів на одиницю об'єму), можна обчислити швидкість дрейфу для даного струму. Чим більше щільність, тим менша швидкість, необхідна для даного струму.

    зображення

    Швидкість дрейфу: Вільні електрони, що рухаються в провіднику, роблять багато зіткнень з іншими електронами та атомами. Показано шлях одного електрона. Середня швидкість вільних зарядів називається швидкістю дрейфу і знаходиться в напрямку, протилежному електричному полю для електронів. Зіткнення в нормі передають енергію провіднику, вимагаючи постійного запасу енергії для підтримки стійкого струму.

    Отримати вираз для співвідношення між струмом і швидкістю дрейфу можна, враховуючи кількість вільних зарядів в відрізку дроту. Кількість безкоштовних зарядів на одиницю об'єму задається символом n і залежить від матеріалу. Сокира - це обсяг відрізка, так що кількість вільних зарядів в ньому дорівнює NaX. Заряд ΔQ в цьому відрізку, таким чином, дорівнює QnAx, де q - величина заряду на кожному носії. (Нагадаємо, що для електронів q дорівнює 1,60×10−19С.) Струмом є заряд, переміщений за одиницю часу. Таким чином, якщо всі початкові заряди з'їжджають з цього відрізка за часом t, то струм дорівнює:

    \[\mathrm{I=\dfrac{ΔQ}{Δt}=qnA\dfrac{x}{Δt}}\]

    Примітно, що x/Δt - це величина швидкості дрейфу v d, так як заряди рухаються на середню відстань x за час t. перестановка термінів дає: I = qNaV d, де I - струм через дріт площі поперечного перерізу А виготовлений з матеріалу з вільною щільністю заряду n. Носії струму кожен мають заряди q і рухаються зі швидкістю дрейфу величиною v d.

    Щільність струму - це електричний струм на одиницю площі перетину. Має одиниці ампер на квадратний метр.

    Ключові моменти

    • Акумулятор зберігає електричний потенціал від хімічної реакції. Коли він підключений до ланцюга, цей електричний потенціал перетворюється в кінетичну енергію, коли електрони рухаються по ланцюгу.
    • Напруга або різниця потенціалів між двома точками визначається як зміна потенційної енергії заряду q, переміщеного з точки 1 в точку 2, розділеної на заряд.
    • Напруга акумулятора є синонімом його електрорушійної сили, або ЕРС. Ця сила відповідає за протікання заряду по ланцюгу, відомому як електричний струм.
    • Проста схема складається з джерела напруги і резистора.
    • Закон Ома дає залежність між струмом I, напругою V і опором R в простій схемі: I = V/R.
    • Одиницею СІ для вимірювання швидкості потоку електричного заряду є ампер, який дорівнює заряду, що протікає через якусь поверхню зі швидкістю один кулон в секунду.
    • У провідниках є електричне поле, яке змушує електрони дрейфувати в напрямку, протилежному полю. Швидкість дрейфу - це середня швидкість цих вільних зарядів.
    • Вираз для співвідношення між струмом і швидкістю дрейфу можна отримати, розглянувши кількість вільних зарядів в відрізку дроту.
    • I = qNaV пов'язує швидкість дрейфу з струмом, де I - струм через дріт площею поперечного перерізу A, виготовлений з матеріалу з щільністю вільного заряду n. Носії струму кожен мають заряд q і рухаються зі швидкістю дрейфу величиною v.

    Ключові умови

    • акумулятор: Пристрій, який виробляє електрику шляхом хімічної реакції між двома речовинами.
    • струм: Часова швидкість потоку електричного заряду.
    • напруга: величина електростатичного потенціалу між двома точками в просторі.
    • електричний струм: рух заряду по ланцюгу
    • ом: в Міжнародній системі одиниць, похідна одиниця електричного опору; електричний опір пристрою, через який різниця потенціалів в один вольт викликає струм в один ампер; символ: Ω
    • ампер: одиниця електричного струму; стандартна базова одиниця в Міжнародній системі одиниць. Абревіатура: amp. Символ: A.
    • швидкість дрейфу: Середня швидкість вільних зарядів у провіднику.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ