science >> Wetenschap >  >> Fysica

Elektrische stroom: definitie, eenheid, formule, typen (met voorbeelden)

Elektrisch opladen: welke automatische reactie geeft die zin wanneer u deze leest? Een tintelend gevoel misschien, of het beeld van een lichtbundel die de lucht splitst? De kleurrijke weergave van flitsende lichten in een stad als Parijs of Las Vegas? Misschien zelfs een insect dat op de een of andere manier gloeit in het donker terwijl het zich over uw camping baant?

Tot de laatste eeuwen hadden wetenschappers niet alleen geen manier om de snelheid van het licht te meten, ze hadden geen idee welke fysische fenomenen ten grondslag liggen aan wat nu bekend staat als "elektriciteit" in de eerste plaats. In de 19e eeuw kregen natuurkundigen voor het eerst inzicht in de kleine deeltjes die betrokken zijn bij de stroom (vrije elektronen) en de aard van de krachten die hen dwingen te bewegen. Het was duidelijk dat elektriciteit aanzienlijk goed zou kunnen doen als het veilig kon worden "gemaakt" of "gevangen" en de elektrische energie die werd gebruikt om te werken.

Elektrische ladingsstroom treedt gemakkelijk op in stoffen die zijn geclassificeerd als geleidende materialen
, terwijl het wordt belemmerd in die die bekend staan als isolatoren
. In een metaaldraad zoals een koperdraad is het bijvoorbeeld mogelijk om een potentiaalverschil
over de uiteinden van de draad te creëren, waardoor een ladingstroom ontstaat en een stroom ontstaat.
Definitie van elektrisch Stroom

Elektrische stroom
is de gemiddelde stroomsnelheid van elektrische lading (dwz lading per tijdseenheid) voorbij een punt in de ruimte. Deze lading wordt gedragen door elektronen
die door een draad in een elektrisch circuit bewegen. Hoe hoger het aantal elektronen dat voorbij dit punt per seconde beweegt, hoe groter de grootte van de stroom.

De SI-eenheid van stroom is de ampère (A), vaak informeel "versterkers" genoemd. Elektrische lading zelf wordt gemeten in coulombs (C).

  • De lading op een enkel elektron is -1.60 × 10 -19 C, terwijl die op een proton
    is gelijk in grootte maar positief
    in teken. Dit nummer wordt beschouwd als de fundamentele heffing
    e
    . De basiseenheid van de ampère is daarom coulomb per seconde (C /s).

    Volgens afspraak stroomt elektrische stroom in de tegenovergestelde richting van de stroom van elektronen. Dit komt omdat de stroomrichting werd beschreven voordat wetenschappers wisten welke ladingsdragers degenen waren die bewogen onder invloed van een elektrisch veld. Voor alle praktische doeleinden bieden positieve ladingen in de positieve richting hetzelfde fysieke (reken) resultaat als negatieve ladingen in de negatieve richting als het gaat om elektrische stroom.

    Elektronen bewegen in de richting van een positieve aansluiting in een elektrische stroomkring. De elektronenstroom, of bewegende lading, is daarom verwijderd van de negatieve pool. De beweging van elektronen in een koperdraad of ander geleidend materiaal genereert ook een magnetisch veld
    dat een richting en grootte heeft die wordt bepaald door de elektrische stroomrichting en dus de beweging van elektronen; dit is het principe waarop een elektromagneet
    is gebouwd.
    Elektrische stroomformule

    Voor het conventionele conventionele stroomscenario van een lading die door een draad beweegt, wordt de formule voor stroom gegeven door :

    I \u003d neAv d

    waarbij n
    het aantal kosten per kubieke meter is (m 3), e
    is de fundamentele lading, A
    is het dwarsdoorsnedegebied van de draad en v d
    is de driftsnelheid
    .

    Hoewel stroom zowel een grootte als een richting heeft, is het een scalaire grootheid, geen vectorgrootheid, omdat het niet voldoet aan de wetten van vector-toevoeging.
    Ohm's Law Formula

    Ohm's wet
    geeft een formule voor het bepalen van de stroom die door een geleider zal stromen:

    I \u003d V /R

    waarbij V
    de spanning is
    , of elektrisch potentiaalverschil
    , gemeten in volt, en R
    is de elektrische weerstand
    tegen de stroom, gemeten in ohm
    (Ω).

    Denk na van spanning als een "trekkracht" (hoewel deze "elektromotorische kracht" niet letterlijk een kracht is) die specifiek is voor elektrische ladingen. Wanneer tegengestelde ladingen worden gescheiden, worden ze tot elkaar aangetrokken op een manier die afneemt met toenemende afstand tussen hen. Het is los analoog aan zwaartekracht potentiële energie in de klassieke mechanica; zwaartekracht "wil" dat hoge dingen naar de aarde vallen, en spanning "wil" gescheiden (tegengestelde) ladingen tegen elkaar botsen.
    Spanning verklaard

    Volt is gelijk aan joule per coulomb, of J /C. Ze hebben dus eenheden energie per lading per eenheid. Huidige tijdspanning geeft dus eenheden van (C /s) (J /C) \u003d (J /s), wat zich vertaalt naar eenheden van (in dit geval elektrisch) vermogen:

    P \u003d IV

    Dit combineren met de wet van Ohm geeft aanleiding tot andere nuttige wiskundige relaties met betrekking tot de stroom: P \u003d I 2R en P \u003d V 2 /R. Deze laten onder andere zien dat op een vast stroomniveau het vermogen evenredig is aan de weerstand, terwijl als de spanning is vastgesteld, het vermogen omgekeerd en evenredig is aan de weerstand.

    Tijdens het verplaatsen van ladingen ( stroom) induceren een magnetisch veld, een magnetisch veld kan zelf spanning in een draad veroorzaken.
    Typen stroom

  • Gelijkstroom (DC): dit gebeurt wanneer alle elektronen continu in dezelfde richting stromen . Dit is het type stroom in een circuit dat is aangesloten op een standaardbatterij. Batterijen leveren en leveren natuurlijk slechts een verdwijnend kleine hoeveelheid energie die nodig is om de menselijke beschaving te voeden, hoewel de steeds beter wordende technologie op het gebied van zonnecellen de belofte van een beter potentieel voor energieopslag biedt.
  • Wisselstroom (AC): hier oscilleren elektronen zeer snel heen en weer ("wiebelen", in zekere zin). Dit type stroom is vaak gemakkelijker te genereren in een energiecentrale en het resulteert ook in minder energieverlies over een grote afstand, dat is waarom het tegenwoordig de standaard is. Elke gloeilamp en elk ander elektrisch apparaat in een standaardhuis uit het begin van de 21e eeuw wordt gevoed door wisselstroom.

    Met wisselstroom wordt de spanning sinusvormig gevarieerd en wordt altijd gegeven t
    door de uitdrukking V \u003d V 0sin (2πft), waarbij V 0
    de beginspanning is en f
    de frequentie of het aantal volledige is spanningscycli (maximum naar minimum terug naar maximumwaarde) in elke seconde.
    Stroom meten

    Een ampèremeter is een apparaat dat wordt gebruikt om stroom te meten door het in serie aan te sluiten - en nooit parallel - in een elektrisch circuit. (Een parallel circuit heeft meerdere draden tussen knooppunten - met andere woorden, bij de stroombron, condensatoren en weerstanden - in het circuit.) Het werkt volgens het principe dat de stroom hetzelfde is door alle delen van een draad tussen twee knooppunten. >

    Een ampèremeter heeft een bekende, lage intrinsieke weerstand en is ingesteld om een full-scale deflection
    (FSD) te geven bij een bepaald stroomniveau, vaak 0.015 A of 15 mA. Als u de spanning kent en de weerstand manipuleert met behulp van de shuntweerstandfunctie van de ampèremeter, kunt u de stroom bepalen; je weet wat de waarde van de stroom moet zijn volgens de wet van Ohm.
    Voorbeelden van elektrische stroom

    1. Bereken de driftsnelheid van elektronen in een cilindrische koperdraad met een straal van 1 mm, of 0,001 m) met een stroom van 15 A, gegeven dat voor koper n \u003d 8.342 × 10 28 e /m 3 .

    I \u003d neAv d, dus v d \u003d I /neA. Het gebied A
    van de doorsnede van de draad is πr 2, of π (0.001) 2 \u003d 3.14 10 -6 m 2.

    \u003d (15 C /s) /[(8.342 × 10 28 e /m 3) (- 1.60 × 10 -19 C) (3.14 10 -6 m < sup> 2)] \u003d -3.6 × 10 -4 m /s.

  • Het negatieve teken geeft aan dat de richting tegengesteld is aan de stroom, zoals verwacht voor elektronen.

    2. Vind de stroom I in een 120-V circuit dat 2-Ω, 4-Ω en 6-Ω weerstanden in serie heeft.

    Weerstanden in serie zijn eenvoudigweg additief (in parallelle circuits is de som van de totale weerstand is de som van de wederkerige waarden van de individuele weerstandswaarden). Dus:

    I \u003d V /R \u003d (120 V) /(2 + 4 + 6) Ω \u003d 10 A.

    3. Een circuit heeft een totale weerstand van 15 Ω en een stroom van 20 A. Wat is het vermogen en de spanning in dit circuit?

    P \u003d I 2R \u003d (20) 2 (15) \u003d 6.000 watt (W of J /s).

    V \u003d IR \u003d (20) (15) \u003d 300 V