Електричний струм і швидкість електронів
Електричний струм
В атомній решітці металів смуги валентності та провідності перекриваються, завдяки чому валентні електрони вільно переміщуються в решітці та візуально поводяться як електронний газ. Вони дрейфують навколо безладним рухом у кристалічній структурі. Крім того, атоми металу коливаються навколо свого положення спокою у своїх позиціях гратки. Додавання тепла збільшує амплітуди вібрації, а окремі атоми потребують більше місця. Метал розширюється. Процес є оборотним, оскільки об’єм знову зменшується при охолодженні.
Якщо ви прикладете електричне поле до електрично нейтрального металевого дроту, підключивши його до джерела напруги, раніше невпорядкований рух електронів змінюється на упорядкований, спрямований рух. По провіднику протікає електричний струм.
Електричний струм - це спрямований рух носіїв заряду.
Електрична напруга є причиною електричного струму.
Сила струму є мірою перенесення заряду в секунду в будь-якій точці провідника.
У металевому провіднику електричний струм лише транспортує носії заряду і не змінює матеріал. Механічна взаємодія дрейфуючих електронів з іншими електронами та атомами металів у твердотільній решітці може спричинити нагрівання. Підвищення температури збільшує теплові коливання частинок і тим самим зменшує середній вільний пробіг вільних електронів. Потік спрямованого струму перешкоджає і зменшується. Символом електричного струму є Я. Одиницею виміру є ампер із символом А..
Визначення сили струму
Часовий постійний струм 1 А діє у вакуумі між двома паралельними ідеальними провідниками нескінченної довжини, які знаходяться на відстані 1 м, із силою 2 · 10exp - 7 Н. Це сучасне визначення не відповідає технологіям вимірювання. Згідно з історичним визначенням, електрично постійний струм 1 А від водного розчину нітрату срібла відокремлює 1 118 мг срібла за одну секунду в результаті електролізу. Електричний струм транспортує електричні заряди, а також визначається як величина заряду в одиницю часу. 1 A = 1 C/s, де 1 C = 6,24151 · 10exp18 відповідають елементарним зарядам. Елементарний заряд електрона задано як e = 1,6021 · 10exp-19 As = C.
Електронна провідність
Тільки електрони відповідають за провідність електричного струму в металах. Оскільки елементарний заряд електрона дуже малий, для струму в 1 ампер необхідний перенос заряду надзвичайно великої кількості електронів в секунду (≈6,24 · 10exp18 C/s). У металевому провіднику швидкість дрейфу електрона становить лише кілька міліметрів на секунду після прикладання електричного поля. Після включення струм тече відразу в кожну точку кола. Оскільки провідник залишається електрично нейтральним, електрон, що надходить на початку провідника, змушує інший електрон негайно покинути кінець провідника. Імпульс руху або інформація про ураження електричним струмом поширюється в електричному ланцюзі майже зі швидкістю світла, близько 300000 км/с. Залежно від матеріалу провідника та його структури, передача інформації може бути на 30% повільнішою.
Іонна провідність
В розчинах електролітів або розплавлених солях транспорт заряду відбувається через іони, що заряджаються по різному. Електроліт також нейтральний до зовнішнього світу. Деякі іони можуть переносити більше одного елементарного заряду. Оскільки вони більші, їх швидкість дрейфу є повільнішою, ніж швидкість вільних електронів у металі. На додаток до температури, швидкість іонів особливо залежить від концентрації та ступеня дисоціації електроліту. Обмін зарядом відбувається на електродах з електронами, що протікають у зовнішньому контурі.
Лінія електропередачі в газах
Лінія електропередач також можлива в газах та у вакуумі (розбавлені гази). У газах в транспортуванні заряду беруть участь як електрони, так і іони збуджених молекул газу. Підвищення температури, спричинене струмом, може збільшити кінетичну енергію частинок, так що при зіткненні з нейтральними молекулами газу утворюються нові носії заряду, що збільшує потік струму.
Лінія електропередач у вакуумних трубках
Потік струму у вакуумній трубці обумовлений електронами. Вони виходять із катода через термічне збудження нитки розжарювання або інших відповідних речовин. Цей процес називається тепловим випромінюванням. Потім електрони рухаються до позитивного полюса електронної трубки і замикають ланцюг до джерела напруги через анодний контакт.
Негативні носії заряду рухаються від негативного полюса до позитивного полюса.
Позитивні носії заряду рухаються від позитивного до негативного полюса.
Напрямок фізичного потоку визначається як потік електронів від катода до анода.
Звичайний або технічний напрям струму визначається від плюса до мінуса.
Не так науково, але жартом на шиї цей струм можна пояснити зрозуміло навіть для неспеціаліста.
Швидкість електронів
Швидкість електронів у металевому провіднику
Причиною електричного струму є спрямовані рухи носіїв заряду. У більшості випадків це електрони. У металевих провідниках це єдині рухомі носії заряду. Для кожного значення струму в матеріалі провідника може бути розрахована швидкість, відома як швидкість дрейфу.
Зі збільшенням струму I через провідник потрібно переміщати більше електронів за одиницю часу. Електрично нейтральний провідник забезпечує лише певну кількість електронів. Чим більше струму має протікати, тим швидше електрони повинні рухатися по провіднику. При постійній температурі, постійній площі перерізу та постійній густині заряду швидкість дрейфу v прямо пропорційна електричному струму: v
У більшій площі перерізу А більше носіїв заряду, і меншої швидкості електронів достатньо для однакової кількості струму в одиницю часу. Швидкість дрейфу обернено пропорційна площі: v
Якби провідник міг забезпечити більше носіїв заряду, однакове значення струму було б досягнуто при постійній температурі і тій же площі перерізу при меншій швидкості електронів. Тому швидкість дрейфу обернено пропорційна щільності заряду: v
Щільність заряду - це кількість носіїв заряду e - на основі об'ємного елемента. ρ q = n e -/V . Фізична хімія говорить, що 1 моль речовини завжди складається з 6,02205 · 10 23 частинок. Це число відоме як число Авогадро. Молекулярна маса - це молекулярна маса в грамах і містить саме таку кількість частинок. Щільність носія заряду дорівнює кількості частинок з ім'ям моль -1 (число Авогадро), помноженому на щільність матеріалу провідника в кг/м3 і розділеному на його молекулярну масу в кг/моль.
Швидкість дрейфу електронів залежить від матеріалу провідника, його перерізу, сили струму та температури. Зі збільшенням температури броунівський молекулярний рух збільшується і скорочує середній вільний пробіг електронів. Вони потрапляють у відразливі електричні поля сусідніх електронів, що зменшує їх відносну швидкість. Вплив температури не враховується в наступних розрахунках. Слід розрахувати середню швидкість дрейфу електронів у мідному дроті. Дріт має перетин 1 мм 2. Струм 1 А.
Кожен атом міді забезпечує 1 електрон для проведення електрики.
Молярна маса міді - 63,6 г/моль.
1 моль містить 6,022 · 10 23 атомів.
Таким чином, 1 моль міді (63,6 г) забезпечує 6,022 · 10 23 електронів.
Щільність міді становить близько 8,93 мг/мм 3, що означає:
1 мм 3 міді відповідає 0,14 · 10 −3 моль. Помножене на кількість електронів/моль, що означає:
1 мм 3 міді забезпечує 8,43 · 10 19 електронів для проведення електрики.
Кожен електрон має елементарний заряд 1,6022 10 −19 A s = C (Кулон).
1 мм 3 міді забезпечує 13,51 А · с для живлення лінії.
Електричний струм означає транспорт заряду за одиницю часу. Якщо 13,51 А · с транспортується на 1 мм/с, буде протікати 13,51 А. Необхідний потік струму повинен бути 1 А. У цьому прикладі електрони рухаються дуже повільно v = 0,074 мм/с через голову.
Якщо перетин мідного дроту збільшено, омічний опір пропорційно зменшується. Швидкість електронів у провіднику зменшується. При перетині дроту 2 мм 2 і передбачуваному струмі 1 А потрібно половина відстані. Швидкість електронів зменшується вдвічі.
Чим менший омічний опір металевого провідника, тим менша відносна швидкість електронів при проведенні електрики.
Швидкість електронів у вакуумі
У вакуумних електронних трубках потік струму також базується на електронах. Вони генеруються електродом, що світиться, катодом, і прискорюються до анода позитивною анодною напругою. Щоб забезпечити цей процес, трубку потрібно добре евакуювати. Швидкість електронів залежить від анодної напруги. Чим вона вища, тим більша сила на окремий електрон. Він прискорюється сильніше і швидкість його збільшується.
Наступний приклад обчислює швидкість електронів у вакуумній трубці. Напруга прискорення настільки мала, що релятивістське збільшення маси ще не потрібно враховувати.
Фізика вчить, що маса частинок збільшується на дуже високих швидкостях. У релятивістській фізиці швидкість світла c = 2,99792 · 10 8 м/с є універсальною природною сталою. З цього випливає релятивістське збільшення маси. Ці передумови слід завжди враховувати, коли енергія прискорення велика порівняно з енергією відпочинку прискореної частинки. Енергія спокою електрона становить: m e · c 2 = 0,511 МеВ = 8,2 · 10 −14 Н · м. У виведенні використовується m для релятивістської маси електрона і m e для електронної маси з припущенням, що загальна енергія є сумою кінетичної енергії та енергії спокою електрона.
Напруга прискорення тепер повинна становити 25 кВ. Отже, вона знаходиться в діапазоні анодної напруги моніторної трубки (ЕЛТ). Швидкість електронів, розрахована за спрощеним співвідношенням, дає: v = 93,769 x 10 6 м/с. Якщо враховувати релятивістське збільшення маси, величина обчислюється як: v = 90,482 x 10 6 м/с. Електрони рухаються набагато повільніше.
Електрика дуже тонка. Однак для лінії електропередачі не потрібен шланг. Він настільки тонкий, що проходить через простий дріт. Ви не можете передавати електрику деревиною. Деревина, мабуть, це смокче. Те саме з пластиком.
Коли електрика не потрібна, вона не рідка. Навпаки, він товстий, щоб не закінчився з розетки. В іншому випадку на розетці завжди повинна бути штепсельна вилка. Досі незрозуміло, як електрика знає, коли вона потрібна, а коли вона повинна бути рідкою. Ймовірно, він бачить, коли хтось заходить до кімнати з електроприладом.
Електрика не тільки дуже тонка, вона ще й непомітна. Тому ви не можете зрозуміти, чи є в дроті електрика чи ні. Якщо в дроті є електрика, боляче буде торкатися його. Це називається ураженням електричним струмом. Іноді ти навіть нічого не помічаєш. Або тому, що немає електрики, або тому, що ви раптово померли. Це також називається екзитусом.
Електрика універсальна, за допомогою неї можна готувати, бурити, нагрівати та багато іншого. Якщо ви притримуєте дріт з електрикою до іншого дроту з електрикою, він іскриться і вискакує. Це називається коротким замиканням. Але для цього існують запобіжні заходи. Після цього їх доведеться замінити.
Окрім електрики в кабелі, є електрика, яку потрібно взяти з собою. Він упакований у невеликі коробки. Експерт називає щось подібне до цієї батареї. Звичайно, електрика в коробці не бачить, потрібна вона чи ні. Тому він іноді вибігає без причини і з’їдає все на шматки.
Існує кілька видів електроенергії:
Сильний струм: Це називається так, бо неймовірно сильно, що ти з цим можеш зробити.
Змінний струм: Його так називають, оскільки його використання постійно змінюється.
Постійний струм: Його звуть тому, що йому байдуже, що ти з ним робиш.
. з Інтернету/Usenet, автор невідомий