Elektrický proud: definice, jednotka, vzorec, typy (s příklady)

Elektrický náboj: Jakou automatickou reakci tato fráze vyvolá, když ji přečtete? Možná brnění nebo obraz blesku, který rozděluje oblohu? Barevný displej blikajících světel ve městě jako Paříž nebo Las Vegas? Možná i hmyz, který nějakým způsobem svítí ve tmě, když se prochází vaším kempem?

Až do posledních století vědci nejenže neměli žádný způsob, jak měřit rychlost světla, ale ani netušili, jaké fyzikální jevy jsou základem toho, co je dnes známé jako „elektřina“. V osmdesátých letech 20. století fyzikové poprvé pochopili drobné částice podílející se na toku proudu (volné elektrony) a také povahu sil, které je nutí k pohybu. Bylo jasné, že elektřina může být velmi dobrá, pokud ji lze bezpečně „vyrobit“ nebo „zachytit“ a elektrickou energii použitou k práci.

Tok elektrického náboje se snadno vyskytuje v látkách klasifikovaných jakovodivé materiály, zatímco to je bráněno v těch známých jakoizolátory. V kovovém drátu, jako je například měděný drát, je možné vytvořit apotenciální rozdílpřes konce drátu, což způsobí tok náboje a vytvoří proud.

​Elektrický proudje průměrná rychlost toku elektrického náboje (tj. náboj za jednotku času) za bodem v prostoru. Tento poplatek neseelektronypohybující se drátem v elektrickém obvodu. Čím vyšší je počet elektronů pohybujících se kolem tohoto bodu za sekundu, tím větší je velikost proudu.

Jednotkou SI proudu je ampér (A), často neformálně nazývaný „zesilovače“. Samotný elektrický náboj se měří v coulombech (C).

• Náboj na jednom elektronu je -1,60 × 10^-19 C, zatímco to na aprotonje stejné velikosti, alepozitivníve znamení. Toto číslo je považováno zazákladní poplatek​ ​E. Základní jednotka ampéru je tedy coulomb za sekundu (C / s).

Podle konvenceelektrický proud proudí v opačném směru, než je tok elektronů. Je to proto, že směr proudu byl popsán dříve, než vědci věděli, které nosiče náboje jsou ty, které se pohybují pod vlivem elektrického pole. Pro všechny praktické účely nabízejí kladné náboje pohybující se pozitivním směrem stejnou fyziku (výpočetní) výsledek jako záporné náboje pohybující se záporným směrem, pokud jde o elektrickou energii proud.

Elektrony se pohybují směrem k kladné svorce v elektrickém obvodu. Tok elektronů neboli pohybující se náboj je tedy pryč od záporné svorky. Pohyb elektronů v měděném drátu nebo jiném vodivém materiálu také generuje amagnetické polekterý má směr a velikost určenou směrem elektrického proudu a tedy pohybem elektronů; to je princip, na kterémelektromagnetje postaven.

Pro základní běžný aktuální scénář náboje pohybujícího se drátem je vzorec proudu dán vztahem:

kdenje počet nábojů na metr krychlový (m³), ​Eje základní poplatek,Aje průřezová plocha drátu a​proti_d​jerychlost driftu​.

I když má proud velikost i směr, je to skalární veličina, nikoli vektorová veličina, protože se neřídí zákony sčítání vektorů.

​Ohmův zákondává vzorec pro určení proudu, který bude protékat vodičem:

kdePROTIjeNapětíneborozdíl elektrického potenciálu, měřeno ve voltech, aRje elektrickýodporproudu, měřeno vohm​ (Ω).

Představte si napětí jako „tažnou sílu“ (i když tato „elektromotorická síla“ není doslova síla) specifickou pro elektrické náboje. Když jsou protilehlé náboje odděleny, přitahují se jeden k druhému způsobem, který se s rostoucí vzdáleností mezi nimi zmenšuje. Je volně analogický s gravitační potenciální energií v klasické mechanice; gravitace „chce“ vysoké věci spadnout na Zemi a napětí „chce“ oddělené (opačné) náboje, aby se zhroutily.

Volty jsou ekvivalentní joulům na coulomb nebo J / C. Mají tedy jednotky energie na jednotku nabití. Aktuální časy napětí tedy dávají jednotky (C / s) (J / C) = (J / s), které se překládají na jednotky (v tomto případě elektrického) výkonu:

Kombinace tohoto s Ohmovým zákonem vede k dalším užitečným matematickým vztahům zahrnujícím tok proudu: P = I²R a P = V²/R. Ty mimo jiné ukazují, že při pevné úrovni proudu je výkon úměrný odporu, zatímco při pevném napětí je výkonobráceněúměrné odporu.

Zatímco pohybující se náboje (proud) indukují magnetické pole, magnetické pole může samo indukovat napětí ve vodiči.

• ​Stejnosměrný proud (DC):K tomu dochází, když všechny elektrony proudí kontinuálně stejným směrem. Jedná se o typ proudu v obvodu připojeném ke standardní baterii. Baterie samozřejmě mohou a skutečně dodávají jen mizivě malé množství energie potřebné k napájení člověka civilizace, i když stále se zlepšující technologie v oblasti solárních článků nabízí příslib lepšího potenciálu pro zásobárna energie.
• ​Střídavý proud (AC):Zde elektrony velmi rychle kmitají sem a tam (v určitém smyslu „kroutí“). Tento typ proudu se v elektrárně často generuje snadněji a vede také k menším ztrátám energie na velkou vzdálenost, což je důvod, proč se dnes používá jako standard. Každá žárovka a další elektrické spotřebiče ve standardním domě z počátku 21. století jsou napájeny střídavým proudem.

U střídavého proudu se napětí mění sinusovým způsobem a udává se kdykolitvýrazem V = V₀sin (2πft), kdePROTI₀je počáteční napětí aFje frekvence nebo počet úplných cyklů napětí (maximum až minimum zpět na maximální hodnotu) v každé sekundě.

Ampérmetr je zařízení, které se používá k měření proudu jeho zapojením do série - a nikdy paralelně - do elektrického obvodu. (Paralelní obvod má více vodičů mezi křižovatkami - jinými slovy, u zdroje energie, kondenzátorů a rezistorů - v obvodu.) Funguje na principu, že proud je stejný ve všech částech drátu mezi dvěma křižovatky.

Ampérmetr má známý nízký vnitřní odpor a je nastaven tak, aby poskytoval aprůhyb v plném rozsahu(FSD) na dané úrovni proudu, často 0,015 A nebo 15 mA. Pokud znáte napětí a manipulujete s odporem pomocí funkce bočního odporu ampérmetru, můžete určit proud; víte, jaká je hodnota prouduby mělpoužívat Ohmův zákon.

1. Vypočítejte rychlost driftu elektronů ve válcovém měděném drátu o poloměru 1 mm nebo 0,001 m), který nese proud 15 A, vzhledem k tomu, že pro měď, n = 8,442 × 10²⁸ e / m³.

OblastAprůřezu drátu je πr², nebo π (0,001)² = 3.14 10^-6 m².

• Záporné znaménko znamená, že směr je proti směru toku proudu, jak se u elektronů očekává.

2. Najděte proud I v obvodu 120 V, který má sériově rezistory 2-Ω, 4-Ω a 6-Ω.

Rezistory v sérii jsou jednoduše aditivní (v paralelních obvodech je součet celkového odporu součtem převrácených hodnot jednotlivých odporů). Tím pádem:

3. Obvod má celkový odpor 15 Ω a proudový proud 20 A. Jaký je výkon a napětí v tomto obvodu?