Elektrisk opladning: Hvilken automatisk reaktion producerer denne sætning, når du læser den? En prikkende fornemmelse måske eller billedet af en belysningsbolt, der splitter himlen? Den farverige visning af blinkende lys i en by som Paris eller Las Vegas? Måske endda et insekt, der på en eller anden måde lyser i mørket, når det strækker sig over din campingplads?
Indtil de seneste århundreder havde forskere ikke kun nogen måde at måle lysets hastighed, de anede ikke, hvilke fysiske fænomener der ligger til grund for det, der nu i første omgang er kendt som "elektricitet". I 1800'erne fik fysikerne først en forståelse af de små partikler, der er involveret i strømmen (frie elektroner) såvel som arten af de kræfter, der tvinger dem til at bevæge sig. Det var klart, at elektricitet kunne gøre betydeligt godt, hvis det sikkert kunne "fremstilles" eller "fanges", og den elektriske energi bruges til at udføre arbejde.
Elektrisk ladestrøm opstår let i stoffer klassificeret somledende materialer
, mens det er hindret i dem, der er kendt somisolatorer. I en metaltråd som f.eks. En kobbertråd er det muligt at oprette enpotentiel forskelover enderne af ledningen, hvilket forårsager en strøm af ladning og skaber en strøm.Definition af elektrisk strøm
Elektrisk strømer den gennemsnitlige strømningshastighed for elektrisk ladning (dvs. ladning pr. tidsenhed) forbi et punkt i rummet. Denne afgift bæres afelektronerbevæger sig gennem en ledning i et elektrisk kredsløb. Jo højere antallet af elektroner, der bevæger sig forbi dette punkt i sekundet, jo større er strømens størrelse.
SI-enheden med strøm er ampere (A), ofte uformelt kaldet "forstærkere." Selve elektrisk ladning måles i coulombs (C).
- Opladningen på en enkelt elektron er -1,60 × 10-19 C, mens det på enprotoner lige stor, menpositivi tegn. Dette tal betragtes somgrundlæggende afgift e. Ampereens basisenhed er derfor coulombs pr. Sekund (C / s).
Efter konvention,elektrisk strøm strømmer i den modsatte retning af strømmen af elektroner. Dette skyldes, at strømretningen blev beskrevet, før forskere vidste, hvilke ladningsbærere der var, der bevægede sig under indflydelse af et elektrisk felt. Til alle praktiske formål tilbyder positive ladninger, der bevæger sig i den positive retning, den samme fysiske (beregnings) resultat som negative ladninger, der bevæger sig i negativ retning, når det kommer til elektrisk nuværende.
Elektroner bevæger sig mod en positiv terminal i et elektrisk kredsløb. Elektronstrømmen eller den bevægelige ladning er derfor væk fra den negative terminal. Bevægelsen af elektroner i en kobbertråd eller andet ledende materiale genererer også enmagnetfeltder har en retning og størrelse bestemt af den elektriske strømretning og dermed bevægelsen af elektroner; dette er det princip, hvorpå enelektromagneter bygget.
Elektrisk strømformel
For det grundlæggende konventionelle nuværende scenarie for en ladning, der bevæger sig gennem en ledning, er formlen for strøm givet af:
Jeg = neAv_d
hvorner antallet af ladninger pr. kubikmeter (m3), eer den grundlæggende afgift,ENer ledningens tværsnitsareal, ogvderdrift hastighed.
Selvom strømmen både har en størrelse og en retning, er den en skalar størrelse, ikke en vektormængde, da den ikke overholder lovene om vektortilsætning.
Ohms lovformel
Ohms lovgiver en formel til bestemmelse af strømmen, der strømmer gennem en leder:
I- \ frac {V} {R}
hvorVerspænding, ellerelektrisk potentialforskel, målt i volt, ogRer det elektriskemodstandtil strømmen målt iohm (Ω).
Tænk på spænding som en "trækkraft" (selvom denne "elektromotoriske kraft" ikke bogstaveligt talt er en kraft), der er specifik for elektriske ladninger. Når modsatte ladninger adskilles, tiltrækkes de af hinanden på en måde, der mindskes med stigende afstand mellem dem. Det er løst analogt med tyngdepotentialenergi i klassisk mekanik; tyngdekraften "ønsker", at høje ting skal falde til jorden, og spændingen "ønsker" adskilte (modsatte) afgifter for at komme sammen.
Spænding forklaret
Volt svarer til joule pr. Coulomb eller J / C. De har således enheder af energi pr. Enhedsopladning. Strømtidsspænding giver således enheder på (C / s) (J / C) = (J / s), som oversættes til enheder af (i dette tilfælde elektrisk) effekt:
P = IV
At kombinere dette med Ohms lov giver anledning til andre nyttige matematiske forhold, der involverer strømmen af strøm: P = I2R og P = V2/R. Disse viser blandt andet, at ved et fast strømniveau er effekten proportional med modstanden, mens hvis spændingen er fast, eromvendtproportional med modstand.
Mens bevægelige ladninger (strøm) inducerer et magnetfelt, kan et magnetfelt selv inducere spænding i en ledning.
Typer af strøm
- Jævnstrøm (DC):Dette sker, når alle elektroner flyder kontinuerligt i samme retning. Dette er typen af strøm i et kredsløb, der er tilsluttet et standardbatteri. Batterier kan selvfølgelig kun levere og forsvinder en forsvindende lille mængde af den energi, der kræves til at drive mennesker civilisation, selvom stadig forbedrende teknologi inden for solceller tilbyder løftet om bedre potentiale for energilagring.
- Vekselstrøm (AC):Her svinger elektroner frem og tilbage ("vrikke" på en måde) meget hurtigt. Denne type strøm er ofte lettere at generere i et kraftværk, og det resulterer også i mindre energitab over en stor afstand, hvorfor det er den standard, der anvendes i dag. Alle pærer og andre elektriske apparater i et standardhjem fra det tidlige 21. århundrede drives af vekselstrøm.
Med AC varieres spændingen på en sinusformet måde og gives til enhver tidtved udtrykket V = V0sin (2πft), hvorV0er den oprindelige spænding ogfer frekvensen eller antallet af komplette spændingscyklusser (maksimum til minimum tilbage til maksimumsværdi) i hvert sekund.
Måling af strøm
Et amperemeter er en enhed, der bruges til at måle strøm ved at forbinde den i serie - og aldrig parallelt - i et elektrisk kredsløb. (Et parallelt kredsløb har flere ledninger mellem kryds - med andre ord ved strømkilden, kondensatorer og modstande - i kredsløbet.) Det fungerer på princippet om, at strømmen er den samme gennem alle dele af en ledning mellem to kryds.
Et amperemeter har en kendt, lav indre modstand og er indstillet til at give enfuldskala afbøjning(FSD) på et givet strømniveau, ofte 0,015 A eller 15 mA. Hvis du kender spændingen og manipulerer modstanden ved hjælp af amperemeterets shuntmodstandsfunktion, kan du bestemme strømmen; du ved, hvad værdien af den aktuelle strømning erskulle gernebruger Ohms lov.
Eksempler på elektrisk strøm
1. Beregn drivhastigheden for elektroner i en cylindrisk kobbertråd med en radius på 1 mm eller 0,001 m), der bærer en 15 A-strøm, givet for kobber, n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ antyder v_d = \ frac {I} {neA}
OmrådetENaf ledningens tværsnit er πr2eller π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ gange 10 ^ {28} \ gange -1.60 \ gange 10 ^ {- 19} \ gange 3.14 \ gange 10 ^ {- 6}} = -3.6 \ gange 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- Det negative tegn indikerer, at retningen er i retning af strømmen, som forventet for elektroner.
2. Find strømmen I i et 120-V kredsløb, der har 2-Ω, 4-Ω og 6-Ω modstande i serie.
Modstande i serie er simpelthen additive (i parallelle kredsløb er summen af den samlede modstand summen af de gensidige af de enkelte modstandsværdier). Dermed:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ tekst {A}
3. Et kredsløb har en total modstand på 15 Ω og en strømflow på 20 A. Hvad er kraften og spændingen i dette kredsløb?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ gange 15 = 6.000 \ tekst {W} \ tekst {og} V = IR = 20 \ gange 15 = 300 \ tekst {V}