Elektrický prúd: definícia, jednotka, vzorec, typy (s príkladmi)

Elektrický náboj: Akú automatickú reakciu produkuje táto fráza, keď ju čítate? Možno pocit mravčenia alebo obraz blesku rozdeľujúceho oblohu? Farebný displej blikajúcich svetiel v meste ako Paríž alebo Las Vegas? Možno aj hmyz, ktorý akosi žiari v tme, keď sa prebije po vašom kempingu?

Až do posledných storočí vedci nielenže nemali spôsob, ako merať rýchlosť svetla, ani len netušili, aké fyzikálne javy sú základom toho, čo je dnes známe ako „elektrina“. V osemdesiatych rokoch minulého storočia fyzici prvýkrát pochopili malé častice zúčastňujúce sa prúdenia prúdu (voľné elektróny), ako aj povahu síl, ktoré ich nútia pohybovať sa. Bolo zrejmé, že elektrina môže byť veľmi dobrá, ak môže byť bezpečne „vyrobená“ alebo „zachytená“ a ak bude použitá elektrická energia na prácu.

Tok elektrického náboja sa ľahko vyskytuje v látkach klasifikovaných akovodivé materiály, zatiaľ čo v prípade známych akoizolátory. V kovovom drôte, napríklad v medenom drôte, je možné vytvoriť apotenciálny rozdielcez konce drôtu, čo spôsobí tok náboja a vytvorí prúd.

​Elektrický prúdje priemerná rýchlosť toku elektrického náboja (tj. náboj za jednotku času) za bodom v priestore. Tento poplatok nesie používateľelektrónypohyb po drôte v elektrickom obvode. Čím vyšší je počet elektrónov pohybujúcich sa za týmto bodom za sekundu, tým väčšia je veľkosť prúdu.

Jednotkou SI prúdu je ampér (A), ktorý sa často neformálne nazýva „zosilňovač“. Samotný elektrický náboj sa meria v coulomboch (C).

• Náboj na jednom elektróne je -1,60 × 10^-19 C, zatiaľ čo to na aprotónje rovnako veľká, alepozitívnev znamení. Toto číslo sa považuje zazákladný poplatok​ ​e. Základná jednotka ampéra je preto coulomb za sekundu (C / s).

Podľa dohody,elektrický prúd prúdi v opačnom smere ako prúd elektrónov. Je to preto, že smer prúdu bol popísaný skôr, ako vedci vedeli, ktoré nosiče náboja sú tie, ktoré sa pohybujú pod vplyvom elektrického poľa. Pre všetky praktické účely ponúkajú kladné náboje pohybujúce sa pozitívnym smerom rovnakú fyziku (výpočtový) výsledok ako záporné náboje pohybujúce sa v negatívnom smere, pokiaľ ide o elektrický prúd prúd.

Elektróny sa pohybujú smerom k kladnej svorke v elektrickom obvode. Tok elektrónov alebo pohybujúci sa náboj je preto ďalej od záporného pólu. Pohyb elektrónov v medenom drôte alebo inom vodivom materiáli tiež generuje amagnetické polektorá má smer a veľkosť určenú smerom elektrického prúdu, a teda pohybom elektrónov; toto je princíp, na ktoromelektromagnetje postavená.

Pre základný konvenčný súčasný scenár náboja prechádzajúceho drôtom je vzorec pre prúd daný vzorcom:

kdenje počet nábojov na meter kubický (m³), ​eje základný poplatok,Aje plocha prierezu drôtu a​v_d​jerýchlosť driftu​.

Aj keď má prúd veľkosť a smer, je to skalárna veličina, nie vektorová veličina, pretože sa neriadi zákonmi sčítania vektorov.

​Ohmov zákondáva vzorec na určenie prúdu, ktorý bude pretekať vodičom:

kdeV.jeNapätiealeborozdiel elektrického potenciálu, merané vo voltoch aRje elektrickýodpork prúdovému prúdu, merané vohmy​ (Ω).

Predstavte si napätie ako „ťažnú silu“ (hoci táto „elektromotorická sila“ nie je doslova sila) špecifická pre elektrické náboje. Keď sú opačné náboje oddelené, priťahujú sa jeden k druhému spôsobom, ktorý sa zmenšuje so zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nimi. Je voľne analogický s gravitačnou potenciálnou energiou v klasickej mechanike; gravitácia „chce“, aby vysoké veci padali na Zem, a napätie „chce“, aby sa oddelené (opačné) náboje narazili.

Volty zodpovedajú joulom na coulomb alebo J / C. Majú tak jednotky energie na jednotku nabitia. Aktuálne časy napätia teda dávajú jednotky (C / s) (J / C) = (J / s), ktoré sa prekladajú na jednotky (v tomto prípade elektrického) výkonu:

Kombinácia tohto s Ohmovým zákonom vedie k vzniku ďalších užitočných matematických vzťahov týkajúcich sa toku prúdu: P = I²R a P = V²/R. Tieto okrem iného ukazujú, že pri pevnej úrovni prúdu je výkon úmerný odporu, zatiaľ čo pri pevnom napätí je výkoninverzneúmerné odporu.

Zatiaľ čo pohybujúce sa náboje (prúd) indukujú magnetické pole, samotné magnetické pole môže indukovať napätie vo vodiči.

• ​Jednosmerný prúd (DC):K tomu dôjde, keď všetky elektróny prúdia kontinuálne rovnakým smerom. Toto je typ prúdu v obvode pripojenom k ​​štandardnej batérii. Batérie, samozrejme, môžu a môžu dodávať iba mizivo malé množstvo energie potrebnej na napájanie človeka civilizácia, aj keď neustále sa zlepšujúca technológia v oblasti solárnych článkov ponúka prísľub lepšieho potenciálu pre skladovanie energie.
• ​Striedavý prúd (AC):Tu elektróny kmitajú tam a späť (v určitom zmysle „krútia sa“) veľmi rýchlo. Tento typ prúdu sa v elektrárni často generuje ľahšie a vedie tiež k menším stratám energie na veľkú vzdialenosť, a preto je dnes používaný štandard. Každá žiarovka a iné elektrické spotrebiče v štandardnom dome zo začiatku 21. storočia sú napájané zo siete.

Pri striedavom napätí sa napätie mení sínusovým spôsobom a dáva sa kedykoľvektvýrazom V = V₀sin (2πft), kdeV.₀je počiatočné napätie afje frekvencia alebo počet úplných cyklov napätia (maximálna až minimálna spätná maximálna hodnota) v každej sekunde.

Ampérmeter je zariadenie, ktoré sa používa na meranie prúdu zapojením do série - a nikdy nie paralelne - do elektrického obvodu. (Paralelný obvod má viac vodičov medzi križovatkami - inými slovami, v zdroji energie, kondenzátoroch a rezistoroch - v obvode.) Funguje na princípe, že prúd je rovnaký cez všetky časti drôtu medzi dvoma križovatky.

Ampérmeter má známu nízku vnútornú odolnosť a je nastavený tak, aby poskytoval apriehyb v plnom rozsahu(FSD) na danej úrovni prúdu, často 0,015 A alebo 15 mA. Ak poznáte napätie a manipulujete s odporom pomocou funkcie bočného odporu ampérmetra, môžete určiť prúd; viete, aká je hodnota prúduby malpoužívať Ohmov zákon.

1. Vypočítajte rýchlosť driftu elektrónov vo valcovom medenom drôte s polomerom 1 mm alebo 0,001 m), ktorý prenáša prúd 15 A, za predpokladu, že pre meď je n = 8,442 × 10.²⁸ e / m³.

OblasťAprierezu drôtu je πr², alebo π (0,001)² = 3.14 10^-6 m².

• Záporné znamienko znamená, že smer je proti smeru prúdenia, ako sa to predpokladá pre elektróny.

2. Nájdite prúd I v obvode 120 V, ktorý má sériovo rezistory 2-Ω, 4-Ω a 6-Ω.

Rezistory v sérii sú jednoducho aditívne (v paralelných obvodoch je súčet celkového odporu súčtom prevrátených hodnôt jednotlivých hodnôt odporu). Takto:

3. Obvod má celkový odpor 15 Ω a prúdový prúd 20 A. Aký je výkon a napätie v tomto obvode?