Elektrisk ström: definition, enhet, formel, typer (med exempel)

Elektrisk laddning: Vilken automatisk reaktion producerar den frasen när du läser den? En stickande känsla, kanske, eller bilden av en ljusbult som delar himlen? Den färgglada visningen av blinkande ljus i en stad som Paris eller Las Vegas? Kanske till och med en insekt som på något sätt lyser i mörkret när den sträcker sig över din campingplats?

Fram till de senaste århundradena hade inte bara forskare något sätt att mäta ljusets hastighet, de hade ingen aning om vilka fysiska fenomen som ligger till grund för det som nu kallas "elektricitet" i första hand. På 1800-talet fick fysiker först en förståelse för de små partiklarna som är inblandade i strömflödet (fria elektroner) samt arten av de krafter som tvingar dem att röra sig. Det var tydligt att elektricitet kunde göra betydande nytta om det säkert kunde "tillverkas" eller "fångas upp" och den elektriska energin brukade fungera.

Elektriskt laddningsflöde sker lätt i ämnen som klassificeras somledande material, medan det hindras av de som kallas

​Elektrisk strömär den genomsnittliga flödeshastigheten för elektrisk laddning (dvs. laddning per tidsenhet) förbi en punkt i rymden. Denna avgift bärs avelektronerrör sig genom en tråd i en elektrisk krets. Ju högre antal elektroner som rör sig förbi denna punkt per sekund, desto större blir strömmen.

SI-strömmen är ampere (A), ofta informellt kallad "ampere". Själva elektrisk laddning mäts i coulombs (C).

• Laddningen på en enda elektron är -1,60 × 10^-19 C, medan det på enprotonär lika stor menpositivi tecken. Detta nummer anses varagrundläggande avgift​ ​e. Basenheten för ampere är därför coulombs per sekund (C / s).

Konventionellt,elektrisk ström flyter i motsatt riktning av elektronernas flöde. Detta beror på att strömriktningen beskrevs innan forskare visste vilka laddningsbärare som var de som rörde sig under påverkan av ett elektriskt fält. För alla praktiska ändamål erbjuder positiva laddningar i positiv riktning samma fysiska (beräknings-) resultat som negativa laddningar som rör sig i negativ riktning när det gäller elektriska nuvarande.

Elektroner rör sig mot en positiv terminal i en elektrisk krets. Elektronflödet, eller rörlig laddning, är därför borta från den negativa terminalen. Rörelser av elektroner i en koppartråd eller annat ledande material genererar också enmagnetiskt fältsom har en riktning och storlek bestämd av den elektriska strömriktningen och därmed elektronernas rörelse; detta är principen som enelektromagnetär byggt.

För det grundläggande konventionella strömscenariot för en laddning som rör sig genom en ledning ges formeln för ström av:

varnär antalet laddningar per kubikmeter (m³), ​eär den grundläggande avgiften,Aär trådens tvärsnittsarea, och​v_d​ärdrifthastighet​.

Även om strömmen har både en storlek och en riktning är den en skalär kvantitet, inte en vektormängd, eftersom den inte följer lagarna för vektortillägg.

​Ohms lagger en formel för att bestämma strömmen som kommer att strömma genom en ledare:

varVärSpänning, ellerelektrisk potentialskillnad, mätt i volt, ochRär det elektriskamotståndtill strömflödet, mätt iohm​ (Ω).

Tänk på spänning som en "dragkraft" (även om denna "elektromotoriska kraft" inte är bokstavligen en kraft) som är specifik för elektriska laddningar. När motsatta laddningar separeras, lockas de till varandra på ett sätt som minskar med ökande avstånd mellan dem. Det är löst analogt med gravitationspotentialen i klassisk mekanik; tyngdkraften "vill" att höga saker faller till jorden, och spänningen "vill" separerade (motsatta) laddningar ska krascha tillsammans.

Volt motsvarar joule per coulomb, eller J / C. De har alltså energienheter per laddningsenhet. Nuvarande tider spänning ger således enheter av (C / s) (J / C) = (J / s), som översätts till enheter av (i detta fall elektrisk) effekt:

Att kombinera detta med Ohms lag ger upphov till andra användbara matematiska förhållanden som involverar strömflödet: P = I²R och P = V²/R. Dessa visar bland annat att vid en fast strömnivå är effekten proportionell mot motståndet, medan om spänningen är fast är effektenomväntproportionell mot motstånd.

Medan rörliga laddningar (ström) inducerar ett magnetfält kan ett magnetfält i sig inducera spänning i en tråd.

• ​Likström (DC):Detta inträffar när alla elektroner flyter kontinuerligt i samma riktning. Detta är den typ av ström i en krets som är ansluten till ett standardbatteri. Batterier kan naturligtvis bara leverera en försvinnande liten mängd energi som krävs för att driva människor civilisationen, men ständigt förbättrad teknik inom solceller erbjuder ett löfte om bättre potential för energilagring.
• ​Växelström (AC):Här svänger elektroner fram och tillbaka ("vippa", på sätt och vis) mycket snabbt. Denna typ av ström är ofta lättare att generera i ett kraftverk, och det leder också till mindre energiförlust över ett stort avstånd, varför det är den standard som används idag. Varje glödlampa och andra elektriska apparater i ett vanligt hem från 2000-talet drivs av växelström.

Med växelström varieras spänningen på ett sinusformat sätt och ges när som helsttmed uttrycket V = V₀sin (2πft), därV₀är den initiala spänningen ochfär frekvensen eller antalet kompletta spänningscykler (maximalt till minimum tillbaka till maximalt värde) i varje sekund.

En amperemätare är en enhet som används för att mäta ström genom att ansluta den i serie - och aldrig parallellt - i en elektrisk krets. (En parallell krets har flera ledningar mellan korsningar - med andra ord vid strömkällan, kondensatorer och motstånd - i kretsen.) Den fungerar på principen att strömmen är densamma genom alla delar av en tråd mellan två korsningar.

En amperemätare har ett känt, lågt inneboende motstånd och är inställt för att ge enfullskalig avböjning(FSD) vid en given strömnivå, ofta 0,015 A eller 15 mA. Om du känner till spänningen och manipulerar motståndet med hjälp av ampeterns shuntmotståndsfunktion kan du bestämma strömmen; du vet vad värdet på strömflödet ärskallanvänder Ohms lag.

1. Beräkna drivhastigheten för elektroner i en cylindrisk koppartråd med en radie av 1 mm eller 0,001 m) som bär en 15-A-ström, givet att för koppar, n = 8,342 × 10²⁸ e / m³.

OmrådetAav trådens tvärsnitt är πr²eller π (0,001)² = 3.14 10^-6 m².

• Det negativa tecknet indikerar att riktningen är mot strömflödet, som förväntat för elektroner.

2. Hitta strömmen I i en 120-V-krets som har 2-Ω, 4-Ω och 6-Ω motstånd i serie.

Motstånd i serie är helt enkelt additiva (i parallella kretsar är summan av det totala motståndet summan av ömsesidigheten av de enskilda motståndsvärdena). Således:

3. En krets har ett totalt motstånd på 15 Ω och ett strömflöde på 20 A. Vad är effekten och spänningen i denna krets?