Električni naboj: Kakšno samodejno reakcijo povzroči ta stavek, ko ga preberete? Morda občutek mravljinčenja ali podoba razsvetljave, ki deli nebo? Barvit prikaz utripajočih luči v mestu, kot sta Pariz ali Las Vegas? Morda celo žuželka, ki nekako zažari v temi, ko se prebije čez vaš kamp?
Do zadnjih stoletij znanstveniki ne samo da niso mogli izmeriti svetlobne hitrosti, niti slutili niso, kateri fizični pojavi so osnova tistega, kar je danes znano kot "elektrika". V 19. stoletju so fiziki prvič razumeli drobne delce, ki sodelujejo v toku (prosti elektroni), in naravo sil, ki jih silijo k gibanju. Jasno je bilo, da bi elektrika lahko naredila veliko dobrega, če bi jo lahko varno "naredili" ali "zajeli" in če bi električna energija delovala.
Pretok električnega naboja se zlahka pojavi pri snoveh, razvrščenih kotprevodni materiali, medtem ko je oviran pri tistih, znanih kotizolatorji. Na primer v kovinski žici, kot je bakrena žica, je mogoče ustvariti apotencialna razlikačez konce žice, kar povzroči tok naboja in ustvarja tok.
Definicija električnega toka
Električni tokpovprečna hitrost pretoka električnega naboja (tj. naboj na enoto časa) mimo točke v prostoru. To dajatev nosielektronipremikanje skozi žico v električnem krogu. Večje kot je število elektronov, ki se premikajo mimo te točke na sekundo, večja je jakost toka.
Enota toka SI je amper (A), ki se pogosto neformalno imenuje "amperi". Sam električni naboj se meri v kulonih (C).
- Naboj na enem samem elektronu je -1,60 × 10-19 C, medtem ko je na aprotonaje enak po velikosti, vendarpozitivnov znak. Ta številka velja zatemeljni naboj e. Osnovna enota ampera je torej kulomov na sekundo (C / s).
Po dogovoruelektrični tok teče v nasprotni smeri toka elektronov. To je zato, ker je bila smer toka opisana, še preden so znanstveniki vedeli, kateri nosilci naboja so tisti, ki se gibljejo pod vplivom električnega polja. Za vse praktične namene pozitivni naboji, ki se premikajo v pozitivno smer, ponujajo enako fizično Rezultat (računski) je negativni naboj, ki gre v električni smeri v negativni smeri trenutno.
Elektroni se v električnem krogu pomikajo proti pozitivnemu priključku. Elektronski tok ali premikajoč se naboj je torej oddaljen od negativnega terminala. Tudi gibanje elektronov v bakreni žici ali drugem prevodnem materialu ustvarja amagnetno poljeki ima smer in velikost, določeno s smerjo električnega toka in s tem gibanjem elektronov; to je načelo, po kateremelektromagnetje zgrajena.
Formula električnega toka
Za osnovni običajni trenutni scenarij naboja, ki se premika skozi žico, je formula za tok podana z:
I = neAv_d
kjenje število nabojev na kubični meter (m3), eje osnovni naboj,Aje površina preseka žice invdali jehitrost odnašanja.
Čeprav ima tok tako velikost kot smer, gre za skalarno količino in ne za vektorsko količino, saj ne upošteva zakonov vektorskega dodajanja.
Ohmova zakonska formula
Ohmov zakondaje formulo za določanje toka, ki bo tekel skozi vodnik:
I- \ frac {V} {R}
kjeVali jeNapetost, alirazlika električnega potenciala, izmerjeno v voltih, inRje električnaodpornostna trenutni pretok, izmerjen vohm (Ω).
Mislite na napetost kot na "vlečno silo" (čeprav ta "elektromotorna sila" ni dobesedno sila), značilna za električne naboje. Ko so nasprotni naboji ločeni, jih privlači drug drugega na način, ki se zmanjšuje z naraščajočo razdaljo med njimi. Je ohlapno analogna gravitacijski potencialni energiji v klasični mehaniki; gravitacija "želi", da visoke stvari padejo na Zemljo, napetost pa "hoče", da se ločeni (nasprotni) naboji sesujejo skupaj.
Razlaga napetosti
Volti so enakovredni džuljem na kulon ali J / C. Tako imajo enote energije na enoto naboja. Trenutna kratna napetost tako daje enote (C / s) (J / C) = (J / s), kar pomeni v enote (v tem primeru električne) moči:
P = IV
Združevanje tega z Ohmovim zakonom povzroča druga uporabna matematična razmerja, ki vključujejo tok toka: P = I2R in P = V2/R. Ti med drugim kažejo, da je pri fiksni ravni toka moč sorazmerna z uporom, če pa je napetost fiksna, je močobratnosorazmerno z uporom.
Medtem ko gibljivi naboji (tok) inducirajo magnetno polje, lahko magnetno polje samo povzroči napetost v žici.
Vrste toka
- Enosmerni tok (enosmerni tok):To se zgodi, ko vsi elektroni neprekinjeno tečejo v isto smer. To je vrsta toka v tokokrogu, priključenem na standardno baterijo. Baterije seveda lahko in resnično oskrbujejo le izredno majhno količino energije, ki je potrebna za napajanje človeka civilizacija, čeprav vedno boljša tehnologija na področju sončnih celic obljublja boljše možnosti za shranjevanje energije.
- Izmenični tok (AC):Tu elektroni zelo hitro nihajo sem in tja (v določenem smislu "migajo"). To vrsto toka je pogosto lažje ustvariti v elektrarni in povzroči tudi manjše izgube energije na veliki razdalji, zato je danes standard. Vsako žarnico in druge električne naprave v običajnem domu iz začetka 21. stoletja napaja izmenični tok.
Pri izmeničnem toku se napetost spreminja sinusno in se poda kadar kolitz izrazom V = V0sin (2πft), kjerV0je začetna napetost infje frekvenca ali število celotnih ciklov napetosti (največja do najmanjša nazaj do največje vrednosti) v vsaki sekundi.
Merilni tok
Ampermeter je naprava, ki se uporablja za merjenje toka tako, da ga zaporedno in nikoli vzporedno povežemo v električni tokokrog. (Vzporedno vezje ima več žic med križišči - z drugimi besedami, na viru napajanja, kondenzatorjih in uporih - v vezju.) Deluje po principu, da je tok enak skozi vse dele žice med dvema križišča.
Ampermeter ima znano, nizko lastno odpornost in je nastavljen tako, da daje apopolna deformacija(FSD) na dani trenutni ravni, pogosto 0,015 A ali 15 mA. Če poznate napetost in manipulirate z uporom z uporabo funkcije ampermetrske uporne upornosti, lahko določite tok; veste kolikšna je vrednost trenutnega pretokabi moraliuporabljati Ohmov zakon.
Primeri električnega toka
1. Izračunajte hitrost odnašanja elektronov v valjasti bakreni žici s polmerom 1 mm ali 0,001 m), ki prenaša tok 15 A, glede na to, da je za baker n = 8,342 × 1028 e / m3.
I = neAv_d \ implicira v_d = \ frac {I} {neA}
ObmočjeApreseka žice je πr2ali π (0,001)2 = 3.14 10-6 m2.
v_d = \ frac {I} {neA} = \ frac {15} {8.342 \ krat 10 ^ {28} \ krat -1,60 \ krat 10 ^ {- 19} \ krat 3,14 \ krat 10 ^ {- 6}} = -3,6 \ krat 10 ^ {- 4} \ besedilo {m / s}
- Negativni znak pomeni, da je smer v nasprotju s smerjo toka toka, kot se pričakuje za elektrone.
2. Poiščite tok I v 120-V vezju, ki ima zaporedno upore 2-Ω, 4-Ω in 6-Ω.
Upori v seriji so preprosto aditivni (v vzporednih tokokrogih je vsota celotnega upora vsota recipročnih vrednosti posameznih vrednosti upora). Tako:
I = \ frac {V} {R} = \ frac {120} {2 + 4 + 6} = 10 \ text {A}
3. Vezje ima skupni upor 15 Ω in tok 20 A. Kakšna sta moč in napetost v tem vezju?
P = I ^ 2R = 20 ^ 2 \ krat 15 = 6000 \ besedilo {W} \ besedilo {in} V = IR = 20 \ krat 15 = 300 \ besedilo {V}