Elektrisk ladning: Hvilken automatisk reaksjon produserer denne setningen når du leser den? En kriblende sans, kanskje, eller bildet av en belysningsbolt som splitter himmelen? Den fargerike visningen av blinkende lys i en by som Paris eller Las Vegas? Kanskje til og med et insekt som på en eller annen måte lyser i mørket når det strekker seg over campingplassen din?
Fram til de siste århundrene hadde ikke bare forskere noen måte å måle lysets hastighet, de hadde ingen anelse om hvilke fysiske fenomener som ligger til grunn i det som nå er kjent som "elektrisitet". På 1800-tallet fikk fysikere først en forståelse av de små partiklene som er involvert i strømmen (frie elektroner), så vel som arten til kreftene som tvinger dem til å bevege seg. Det var tydelig at elektrisitet kunne gjøre betydelig fordel hvis den trygt kunne "lages" eller "fanges" og den elektriske energien som brukes til å jobbe.
Elektrisk ladestrøm oppstår lett i stoffer som er klassifisert somledende materialer, mens det hindres av de som er kjent som
isolatorer. I en metalltråd som for eksempel en kobbertråd, er det mulig å lage enpotensiell forskjellover endene av ledningen, forårsaker en strøm av ladning og skaper en strøm.Definisjon av elektrisk strøm
Elektrisk strømer gjennomsnittlig strømningshastighet for elektrisk ladning (dvs. ladning per tidsenhet) forbi et punkt i rommet. Denne avgiften bæres avelektronerbeveger seg gjennom en ledning i en elektrisk krets. Jo høyere antall elektroner som beveger seg forbi dette punktet per sekund, jo større er størrelsen på strømmen.
SI-strømmen er ampere (A), ofte uformelt kalt "ampere". Selve elektrisk ladning måles i coulombs (C).
- Ladningen på et enkelt elektron er -1,60 × 10-19 C, mens det på enprotoner lik i størrelse, menpositivti skilt. Dette tallet regnes somgrunnleggende avgift e. Basenheten til amperen er derfor coulombs per sekund (C / s).
Etter konvensjon,elektrisk strøm flyter i motsatt retning av strømmen av elektroner. Dette er fordi strømretningen ble beskrevet før forskere visste hvilke ladningsbærere som var de som beveget seg under påvirkning av et elektrisk felt. For alle praktiske formål tilbyr positive ladninger som beveger seg i positiv retning, det samme fysiske (beregnings) resultat som negative ladninger som beveger seg i negativ retning når det gjelder elektrisk nåværende.
Elektroner beveger seg mot en positiv terminal i en elektrisk krets. Elektronstrømmen, eller den bevegelige ladningen, er derfor borte fra den negative terminalen. Bevegelsen av elektroner i en kobbertråd eller annet ledende materiale genererer også enmagnetfeltsom har en retning og styrke bestemt av den elektriske strømretningen og dermed bevegelsen til elektroner; dette er prinsippet som enelektromagneter bygd.
Elektrisk strømformel
For det grunnleggende konvensjonelle nåværende scenariet for en ladning som beveger seg gjennom en ledning, er formelen for strøm gitt av:
Jeg = neAv_d
hvorner antall ladninger per kubikkmeter (m3), eer den grunnleggende ladningen,ENer ledningens tverrsnittsareal, ogvder dendrivhastighet.
Selv om strømmen har både en størrelse og en retning, er den en skalar størrelse, ikke en vektormengde, da den ikke overholder lovene om vektortilsetning.
Ohms lovformel
Ohms lovgir en formel for å bestemme strømmen som vil strømme gjennom en leder:
I- \ frac {V} {R}
hvorVer denSpenning, ellerelektrisk potensialforskjell, målt i volt, ogRer det elektriskemotstandtil strømmen, målt iohm (Ω).
Tenk på spenning som en "trekkraft" (selv om denne "elektromotoriske kraften" ikke er bokstavelig talt en kraft) som er spesifikk for elektriske ladninger. Når motsatte ladninger skilles, tiltrekkes de av hverandre på en måte som avtar med økende avstand mellom dem. Det er løst analogt med gravitasjonens potensielle energi i klassisk mekanikk; tyngdekraften "ønsker" høye ting å falle til jorden, og spenningen "ønsker" atskilte (motsatte) ladninger skal krasje sammen.
Spenning forklart
Volt tilsvarer joule per coulomb, eller J / C. De har dermed enheter av energi per enhetsladning. Nåværende tidsspenning gir dermed enheter på (C / s) (J / C) = (J / s), som oversettes til enheter med (i dette tilfellet elektrisk) effekt:
P = IV
Å kombinere dette med Ohms lov gir andre nyttige matematiske forhold som involverer strømmen av strøm: P = I2R og P = V2/R. Disse viser blant annet at på et fast strømnivå er kraften proporsjonal med motstanden, mens hvis spenningen er fast, eromvendtproporsjonal med motstand.
Mens bevegelige ladninger (strøm) induserer et magnetfelt, kan et magnetfelt i seg selv indusere spenning i en ledning.
Typer strøm
- Likestrøm (DC):Dette skjer når alle elektroner flyter kontinuerlig i samme retning. Dette er typen strøm i en krets som er koblet til et standardbatteri. Batterier kan selvfølgelig bare levere en forsvinnende liten mengde energi som kreves for å drive mennesker sivilisasjonen, selv om stadig forbedrende teknologi innen solceller gir løfter om bedre potensial for energilagring.
- Vekselstrøm (AC):Her svinger elektroner frem og tilbake ("vrikke", på en måte) veldig raskt. Denne typen strøm er ofte lettere å generere i et kraftverk, og det resulterer også i mindre energitap over store avstander, og det er derfor det er standarden som brukes i dag. Alle lyspærer og andre elektriske apparater i et vanlig hjem fra det 21. århundre drives av vekselstrøm.
Med AC varieres spenningen på en sinusformet måte, og blir gitt når som helsttved uttrykket V = V0sin (2πft), hvorV0er den opprinnelige spenningen ogfer frekvensen eller antallet komplette spenningssykluser (maksimum til minimum tilbake til maksimumsverdi) i hvert sekund.
Måle strøm
Et amperemeter er en enhet som brukes til å måle strøm ved å koble den i serie - og aldri parallelt - i en elektrisk krets. (En parallell krets har flere ledninger mellom kryssene - med andre ord ved strømkilden, kondensatorene og motstandene - i kretsen.) Den fungerer på prinsippet om at strømmen er den samme gjennom alle deler av en ledning mellom to kryss.
Et amperemeter har en kjent, lav egenmotstand og er satt opp for å gi etfullskala avbøyning(FSD) på et gitt strømnivå, ofte 0,015 A eller 15 mA. Hvis du vet spenningen og manipulerer motstanden ved hjelp av amperemeterets shuntmotstandsfunksjon, kan du bestemme strømmen; du vet hva verdien av strømmen erbørbruker Ohms lov.
Eksempler på elektrisk strøm
1. Beregn drivhastigheten til elektroner i en sylindrisk kobbertråd med en radius på 1 mm eller 0,001 m) som bærer en 15-A strøm, gitt at for kobber, n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ innebærer v_d = \ frac {I} {neA}
OmrådetENav tverrsnittet av ledningen er πr2, eller π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ times 10 ^ {28} \ times -11.60 \ times 10 ^ {- 19} \ times 3.14 \ times 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ ganger 10 ^ {- 4} \ text {m / s}
- Det negative tegnet indikerer at retningen er mot strømstrømmen, som forventet for elektroner.
2. Finn strømmen I i en 120-V krets som har 2-Ω, 4-Ω og 6-Ω motstand i serie.
Motstander i serie er ganske enkelt additive (i parallelle kretser er summen av total motstand summen av gjensidighetene til de individuelle motstandsverdiene). Og dermed:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ text {A}
3. En krets har en total motstand på 15 Ω og en strømstrøm på 20 A. Hva er kraften og spenningen i denne kretsen?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ ganger 15 = 6000 \ tekst {W} \ tekst {og} V = IR = 20 \ ganger 15 = 300 \ tekst {V}