Електричний струм: визначення, одиниця виміру, формула, типи (з прикладами)

Електричний заряд: Яку автоматичну реакцію виробляє ця фраза, коли ви її читаєте? Можливо, мурашки, або образ освітлення, що розколює небо? Барвистий дисплей блимаючих вогнів у такому місті, як Париж чи Лас-Вегас? Можливо, навіть комаха, яка якось світиться в темряві, пробираючись через ваш кемпінг?

До останніх століть вчені не тільки не мали можливості виміряти швидкість світла, вони навіть не уявляли, які фізичні явища лежать в основі того, що в першу чергу називається "електрикою". У 1800-х роках фізики вперше отримали розуміння крихітних частинок, що беруть участь у поточному потоці (вільні електрони), а також природи сил, що змушують їх рухатися. Було очевидно, що електроенергія може принести значну користь, якщо її можна безпечно «зробити» або «захопити», а електричну енергію використовувати для роботи.

Потік електричного заряду легко виникає у речовин, класифікованих якелектропровідні матеріали, хоча це перешкоджає тим, хто відомий якізолятори. Наприклад, у металевому дроті, такому як мідний дріт, можна створити

​Електричний струмє середньою швидкістю потоку електричного заряду (тобто заряду за одиницю часу) за точку простору. Цей заряд несеелектронирухаючись по дроту в електричному колі. Чим більша кількість електронів, що рухаються за цією точкою в секунду, тим більша сила струму.

Одиницею вимірювання струму в СІ є ампер (А), який часто неофіційно називають "амперами". Сам електричний заряд вимірюється в кулонах (С).

• Заряд на одному електроні становить -1,60 × 10^-19 C, тоді як на aпротондорівнює за величиною, алепозитивнів знак. Цей номер вважаєтьсяосновний заряд​ ​e. Таким чином, базовою одиницею ампера є кулони в секунду (С / с).

За домовленістю,електричний струм тече у зворотному напрямку потоку електронів. Це пояснюється тим, що напрям струму був описаний ще до того, як вчені знали, які носії заряду рухаються під впливом електричного поля. З усіх практичних цілей позитивні заряди, що рухаються в позитивному напрямку, пропонують однакові фізичні показники (обчислювальний) результат - негативні заряди, що рухаються в негативному напрямку, коли справа стосується електричних струм.

Електрони рухаються до позитивного висновку в електричному колі. Отже, потік електронів, або рухомий заряд, знаходиться далеко від негативного терміналу. Рух електронів у мідному дроті або іншому провідному матеріалі також породжує амагнітне полещо має напрямок і величину, що визначаються напрямком електричного струму, а отже і рухом електронів; це принцип, за якимелектромагнітбудується.

Для основного звичайного сценарію струму заряду, що рухається по дроту, формула струму подається за формулою:

деп- кількість зарядів на кубічний метр (м³), ​e- основний заряд,A- площа поперечного перерізу дроту, і​v_d​єшвидкість дрейфу​.

Хоча струм має як величину, так і напрямок, він є скалярною величиною, а не векторною величиною, оскільки не підпорядковується законам векторного додавання.

​Закон Омадає формулу для визначення струму, який буде протікати через провідник:

деVєНапруга, аборізниця електричних потенціалів, виміряне у вольтах, іР.є електричнимопірдо поточного потоку, виміряного вОм​ (Ω).

Подумайте про напругу як про "тягнучу силу" (хоча ця "електрорушійна сила" буквально не є силою), характерною для електричних зарядів. Коли протилежні заряди розділені, вони притягуються один до одного таким чином, що зменшуються із збільшенням відстані між ними. Це слабо аналогічно гравітаційній потенційній енергії в класичній механіці; гравітація "хоче", щоб високі речі впали на Землю, а напруга "хоче", щоб розділені (протилежні) заряди зірвалися разом.

Вольти еквівалентні джоулям на кулон або J / C. Таким чином, вони мають одиниці енергії на одиницю заряду. Таким чином, струм, помножений на напругу, дає одиниці (C / s) (J / C) = (J / s), що переводиться в одиниці (в даному випадку електричної) потужності:

Поєднання цього із законом Ома породжує інші корисні математичні співвідношення, що включають потік струму: P = I²R і P = V²/R. Вони, серед іншого, показують, що при фіксованому рівні струму потужність пропорційна опору, тоді як якщо напруга фіксована, потужністьоберненопропорційна опору.

Поки рухомі заряди (струм) індукують магнітне поле, магнітне поле може індукувати напругу в дроті.

• ​Постійний струм (постійний струм):Це відбувається, коли всі електрони безперервно течуть в одному напрямку. Це тип струму в ланцюзі, підключеному до стандартної батареї. Звичайно, батареї можуть і справді забезпечують лише нульову кількість енергії, необхідної для живлення людини цивілізація, хоча постійно вдосконалюються технології в області сонячних елементів дають обіцянку кращого потенціалу для накопичення енергії.
• ​Змінний струм (змінного струму):Тут електрони коливаються вперед-назад (у певному сенсі "хитаються") дуже швидко. Цей тип струму часто легше генерувати на електростанції, а також він призводить до менших втрат енергії на великій відстані, саме тому він є стандартом, який використовується сьогодні. Кожна лампочка та інший електричний прилад у звичайному будинку на початку 21 століття живиться від змінного струму.

При змінній напрузі напруга змінюється синусоїдально і подається в будь-який частза виразом V = V₀sin (2πft), деV₀- початкова напруга іf- це частота або кількість повних циклів напруги (від максимуму до мінімуму, що повертається до максимального значення) в кожну секунду.

Амперметр - це пристрій, який використовується для вимірювання струму шляхом послідовного підключення - і ніколи паралельно - до електричного кола. (Паралельна схема має кілька проводів між переходами - іншими словами, у джерела живлення, конденсаторів та резисторів - в ланцюзі.) Він діє за принципом, що струм однаковий через усі частини дроту між двома стики.

Амперметр має відомий низький внутрішній опір і налаштований на отриманняповномасштабний прогин(FSD) при заданому рівні струму, часто 0,015 А або 15 мА. Якщо ви знаєте напругу та маніпулюєте опором за допомогою функції шумового опору амперметра, ви можете визначити струм; ви знаєте, яке значення поточного потокуповиненвикористовувати закон Ома.

1. Обчисліть швидкість дрейфу електронів у циліндричному мідному дроті радіусом 1 мм або 0,001 м), що несе струм 15 А, враховуючи, що для міді n = 8,342 × 10²⁸ е / м³.

ПлощаAперерізу дроту πr², або π (0,001)² = 3.14 10^-6 м².

• Негативний знак вказує на те, що напрямок протиставляється напрямку потоку струму, як очікується для електронів.

2. Знайдіть струм I в 120-В ланцюзі, який має послідовно резистори 2 Ом, 4 Ом і 6 Ом.

Резистори послідовно є просто аддитивними (в паралельних ланцюгах сума загального опору є сумою зворотних значень окремих значень опору). Отже:

3. Схема має загальний опір 15 Ом і потік струму 20 А. Яка потужність і напруга в цьому ланцюзі?