Ηλεκτρικό ρεύμα: Ορισμός, μονάδα, τύπος, τύποι (με παραδείγματα)

Ηλεκτρικό φορτίο: Ποια αυτόματη αντίδραση παράγει αυτή η φράση όταν το διαβάζετε; Μία αίσθηση μυρμηγκιάσματος, ίσως, ή η εικόνα ενός μπουλονιού φωτισμού που χωρίζει τον ουρανό; Η πολύχρωμη οθόνη που αναβοσβήνει σε μια πόλη όπως το Παρίσι ή το Λας Βέγκας; Ίσως ακόμη και ένα έντομο που λάμπει κάπως στο σκοτάδι καθώς περνάει στο κάμπινγκ σας;

Μέχρι τους τελευταίους αιώνες, όχι μόνο οι επιστήμονες δεν είχαν κανέναν τρόπο να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός, αλλά δεν είχαν ιδέα τι φυσικά φαινόμενα στηρίζουν αυτό που είναι τώρα γνωστό ως «ηλεκτρισμός». Στη δεκαετία του 1800, οι φυσικοί απέκτησαν πρώτα μια κατανόηση των μικροσκοπικών σωματιδίων που εμπλέκονται στη ροή ρεύματος (ελεύθερα ηλεκτρόνια) καθώς και τη φύση των δυνάμεων που τους αναγκάζουν να κινηθούν. Ήταν σαφές ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να κάνει πολύ καλό εάν μπορούσε να "κατασκευαστεί" ή να "παγιδευτεί" με ασφάλεια και η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για να δουλέψει.

Η ροή ηλεκτρικού φορτίου συμβαίνει εύκολα σε ουσίες που ταξινομούνται ως

​Ηλεκτρικό ρεύμαείναι ο μέσος ρυθμός ροής ηλεκτρικού φορτίου (δηλ. φόρτιση ανά μονάδα χρόνου) μετά από ένα σημείο στο διάστημα. Αυτή η χρέωση μεταφέρεται απόηλεκτρόνιακινείται μέσω καλωδίου σε ηλεκτρικό κύκλωμα. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που κινούνται μετά από αυτό το σημείο ανά δευτερόλεπτο, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του ρεύματος.

Η μονάδα SI του ρεύματος είναι το αμπέρ (A), που συχνά ονομάζεται ανεπίσημα "amp". Το ίδιο το ηλεκτρικό φορτίο μετριέται σε coulombs (C).

• Η φόρτιση σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο είναι -1,60 × 10^-19 C, ενώ αυτό σε έναπρωτόνιοείναι ίσο σε μέγεθος αλλάθετικόςστο σημάδι. Αυτός ο αριθμός θεωρείται οθεμελιώδες τέλος​ ​μι. Η βασική μονάδα του αμπέρ είναι συνεπώς κολομβές ανά δευτερόλεπτο (C / s).

Κατά σύμβαση,Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει στην αντίθετη κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει επειδή η κατεύθυνση του ρεύματος περιγράφηκε πριν οι επιστήμονες γνώριζαν ποιοι φορείς φορτίου ήταν αυτοί που κινούνταν υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, τα θετικά φορτία που κινούνται προς τη θετική κατεύθυνση προσφέρουν το ίδιο φυσικό (υπολογιστικό) αποτέλεσμα ως αρνητικά φορτία που κινούνται στην αρνητική κατεύθυνση όταν πρόκειται για ηλεκτρικά ρεύμα.

Τα ηλεκτρόνια κινούνται προς ένα θετικό τερματικό σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Η ροή ηλεκτρονίων, ή το κινούμενο φορτίο, είναι επομένως μακριά από τον αρνητικό ακροδέκτη. Η κίνηση ηλεκτρονίων σε σύρμα χαλκού ή άλλο αγώγιμο υλικό παράγει επίσης αμαγνητικό πεδίοπου έχει μια κατεύθυνση και μέγεθος που καθορίζεται από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος και ως εκ τούτου την κίνηση των ηλεκτρονίων · Αυτή είναι η αρχή πάνω στην οποία έναηλεκτρομαγνήτηςείναι χτισμένο.

Για το βασικό συμβατικό σενάριο ρεύματος φόρτισης που κινείται μέσω καλωδίου, ο τύπος ρεύματος δίνεται από:

όπουνείναι ο αριθμός χρεώσεων ανά κυβικό μέτρο (m³), ​μιείναι η θεμελιώδης επιβάρυνση,ΕΝΑείναι η διατομή του καλωδίου, και​β_ρε​είναι τοταχύτητα μετατόπισης​.

Αν και το ρεύμα έχει τόσο μέγεθος όσο και κατεύθυνση, είναι μια βαθμιαία ποσότητα, όχι μια ποσότητα φορέα, καθώς δεν υπακούει στους νόμους της προσθήκης φορέα.

​Ο νόμος του Ωμδίνει έναν τύπο για τον προσδιορισμό του ρεύματος που θα ρέει μέσω ενός αγωγού:

όπουΒείναι τοΤάση, ήηλεκτρική διαφορά δυναμικού, μετρούμενη σε βολτ, καιΡείναι το ηλεκτρικόαντίστασηστην τρέχουσα ροή, μετρούμενη σεωμ​ (Ω).

Σκεφτείτε την τάση ως «δύναμη έλξης» (αν και αυτή η «ηλεκτροκινητική δύναμη» δεν είναι κυριολεκτικά μια δύναμη) ειδικά για τα ηλεκτρικά φορτία. Όταν διαχωρίζονται τα αντίθετα φορτία, προσελκύονται μεταξύ τους με τρόπο που μειώνεται με την αυξανόμενη απόσταση μεταξύ τους. Είναι χαλαρά ανάλογο με τη βαρυτική δυναμική ενέργεια στην κλασική μηχανική. η βαρύτητα «θέλει» να πέσουν υψηλά πράγματα στη Γη, και η τάση «θέλει» να χωριστούν (αντίθετα) φορτία να συντρίψουν μαζί.

Τα βολτ είναι ισοδύναμα με joules ανά coulomb ή J / C. Έχουν έτσι μονάδες ενέργειας ανά μονάδα φόρτισης. Η τρέχουσα τάση δίνει έτσι μονάδες (C / s) (J / C) = (J / s), οι οποίες μεταφράζονται σε μονάδες (σε αυτήν την περίπτωση ηλεκτρική) ισχύ:

Ο συνδυασμός αυτού με το νόμο του Ohm δημιουργεί άλλες χρήσιμες μαθηματικές σχέσεις που περιλαμβάνουν τη ροή του ρεύματος: P = I²R και P = V²/R. Αυτά δείχνουν, μεταξύ άλλων, ότι σε σταθερό επίπεδο ρεύματος, η ισχύς είναι ανάλογη με την αντίσταση, ενώ εάν η τάση είναι σταθερή, η ισχύς είναιαντιστρόφωςανάλογο με την αντίσταση.

Ενώ τα κινούμενα φορτία (ρεύμα) προκαλούν μαγνητικό πεδίο, ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί το ίδιο να προκαλέσει τάση σε ένα καλώδιο.

• ​Συνεχές ρεύμα (DC):Αυτό συμβαίνει όταν όλα τα ηλεκτρόνια ρέουν συνεχώς στην ίδια κατεύθυνση. Αυτός είναι ο τύπος ρεύματος σε ένα κύκλωμα συνδεδεμένο με μια τυπική μπαταρία. Οι μπαταρίες, φυσικά, μπορούν και παρέχουν μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την τροφοδοσία του ανθρώπου πολιτισμός, αν και η συνεχώς βελτιωμένη τεχνολογία στον τομέα των ηλιακών κυττάρων προσφέρει την υπόσχεση για καλύτερες δυνατότητες αποθήκευση ενέργειας.
• ​Εναλλασσόμενο ρεύμα (AC):Εδώ, τα ηλεκτρόνια ταλαντεύονται εμπρός και πίσω ("κουνάω", με μια έννοια) πολύ γρήγορα. Αυτός ο τύπος ρεύματος είναι συχνά πιο εύκολο να δημιουργηθεί σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας και οδηγεί επίσης σε λιγότερη απώλεια ενέργειας σε μεγάλη απόσταση, γι 'αυτό είναι το πρότυπο που χρησιμοποιείται σήμερα. Κάθε λάμπα και άλλη ηλεκτρική συσκευή σε ένα τυπικό σπίτι στις αρχές του 21ου αιώνα τροφοδοτείται από AC.

Με το AC, η τάση μεταβάλλεται με ημιτονοειδή τρόπο και δίνεται ανά πάσα στιγμήτμε την έκφραση V = V₀sin (2πft), όπουΒ₀είναι η αρχική τάση καιφάείναι η συχνότητα ή ο αριθμός των πλήρων κύκλων τάσης (μέγιστη έως ελάχιστη επιστροφή στη μέγιστη τιμή) σε κάθε δευτερόλεπτο.

Ένα αμπερόμετρο είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρεύματος συνδέοντάς την σε σειρά - και ποτέ παράλληλα - σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. (Ένα παράλληλο κύκλωμα έχει πολλαπλά καλώδια μεταξύ κόμβων - με άλλα λόγια, στην πηγή ισχύος, τους πυκνωτές και τις αντιστάσεις - στο κύκλωμα.) Λειτουργεί με την αρχή ότι το ρεύμα είναι το ίδιο σε όλα τα μέρη ενός καλωδίου μεταξύ δύο κόμβους.

Ένα αμπερόμετρο έχει μια γνωστή, χαμηλή εγγενή αντίσταση και έχει ρυθμιστεί για να δώσει έναεκτροπή πλήρους κλίμακας(FSD) σε δεδομένο τρέχον επίπεδο, συχνά 0,015 A ή 15 mA. Εάν γνωρίζετε την τάση και χειριστείτε την αντίσταση χρησιμοποιώντας τη λειτουργία αντίστασης διακλάδωσης του αμπερόμετρου, μπορείτε να προσδιορίσετε το ρεύμα. ξέρετε ποια είναι η αξία της τρέχουσας ροήςπρέπεινα χρησιμοποιούν τον νόμο του Ohm.

1. Υπολογίστε την ταχύτητα μετακίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα κυλινδρικό σύρμα χαλκού με ακτίνα 1 mm ή 0,001 m) με ρεύμα 15-A, δεδομένου ότι για το χαλκό, n = 8,342 × 10²⁸ ε / μ³.

Η περιοχήΕΝΑτης διατομής του σύρματος είναι πr², ή π (0,001)² = 3.14 10^-6 Μ².

• Το αρνητικό σύμβολο δείχνει ότι η κατεύθυνση είναι αντίθετη προς αυτήν της ροής ρεύματος, όπως αναμένεται για τα ηλεκτρόνια.

2. Βρείτε το τρέχον I σε κύκλωμα 120-V που έχει αντιστάσεις 2-Ω, 4-Ω και 6-Ω σε σειρά.

Οι αντιστάσεις σε σειρά είναι απλώς πρόσθετες (σε παράλληλα κυκλώματα, το άθροισμα της συνολικής αντίστασης είναι το άθροισμα των αμοιβαίων τιμών των μεμονωμένων τιμών αντίστασης). Ετσι:

3. Ένα κύκλωμα έχει συνολική αντίσταση 15 Ω και τρέχουσα ροή 20 A. Ποια είναι η ισχύς και η τάση σε αυτό το κύκλωμα;