Elektrický prúd a rýchlosť elektrónov
Elektrický prúd
V atómovej mriežke kovov sa pásma valencie a vodivosti prekrývajú, takže valenčné elektróny sú v mriežke voľne pohyblivé a vizuálne sa správajú ako elektrónový plyn. Neusporiadaným pohybom sa pohybujú v kryštalickej štruktúre. Atómy kovov sa navyše otáčajú okolo svojej pokojovej polohy v mriežkových polohách. Prídavok tepla zvyšuje amplitúdy vibrácií a jednotlivé atómy vyžadujú viac priestoru. Kov sa rozširuje. Proces je reverzibilný, pretože po ochladení sa hlasitosť opäť zníži.
Ak na elektricky neutrálny kovový drôt pripojíte elektrické pole pripojením k zdroju napätia, predtým neusporiadaný pohyb elektrónov sa zmení na usporiadaný a smerovaný pohyb. Elektrický prúd preteká vodičom.
Elektrický prúd je smerový pohyb nosičov náboja.
Elektrické napätie je príčinou elektrického prúdu.
Sila prúdu je miera prenosu náboja za sekundu v ktoromkoľvek bode vodiča.
V kovovom vodiči elektrický prúd iba prenáša nosiče náboja a nemení materiál. Mechanická interakcia driftujúcich elektrónov s inými elektrónmi a atómami kovov v mriežke v pevnom stave môže spôsobiť zahriatie. Nárast teploty zvyšuje tepelné oscilácie častíc, a tým znižuje strednú voľnú dráhu voľných elektrónov. Smerovaný tok prúdu je obmedzovaný a klesá. Symbol elektrického prúdu je I.. Jednotkou merania je ampér so symbolom A..
Definícia intenzity prúdu
Časovo konštantný prúd 1 A pôsobí vo vákuu medzi dvoma rovnobežnými ideálnymi vodičmi nekonečnej dĺžky, ktoré sú od seba vzdialené 1 m, so silou 2,10exp - 7 N. Táto súčasná definícia uniká technológii merania. Podľa historickej definície oddelí elektricky konštantný prúd 1 A z vodného roztoku dusičnanu strieborného 1,118 mg striebra za jednu sekundu v dôsledku elektrolýzy. Elektrický prúd prenáša elektrické náboje a je tiež definovaný ako množstvo náboja za jednotku času. 1 A = 1 C/s, kde 1 C = 6,24151 · 10exp18 zodpovedajú základným nábojom. Elementárny náboj elektrónu sa uvádza ako e = 1,6021 · 10exp-19 As = C.
Elektrónové vedenie
Iba elektróny sú zodpovedné za vedenie elektrického prúdu v kovoch. Pretože elementárny náboj elektrónu je veľmi malý, je pre prúd 1 ampér nevyhnutný prenos náboja extrémne veľa elektrónov za sekundu (≈6,24 · 10exp18 C/s). V kovovom vodiči je driftová rýchlosť elektrónu po aplikácii elektrického poľa iba niekoľko milimetrov za sekundu. Po zapnutí prúd okamžite prúdi v každom bode obvodu. Pretože vodič zostáva elektricky neutrálny, elektrón vstupujúci na začiatok vodiča núti ďalší elektrón okamžite opustiť koniec vodiča. Pohybový impulz alebo informácia o elektrickom šoku sa šíri v elektrickom obvode takmer rýchlosťou svetla, okolo 300 000 km/s. V závislosti od materiálu vodiča a jeho štruktúry môže byť tento prenos informácií až o 30% pomalší.
Iónové vedenie
V roztokoch elektrolytov alebo roztavených soliach prebieha prenos náboja prostredníctvom rôzne nabitých iónov. Elektrolyt je tiež neutrálny voči vonkajšiemu svetu. Niektoré ióny môžu prenášať viac ako jeden elementárny náboj. Pretože sú väčšie, ich rýchlosť driftu je pomalšia ako rýchlosť voľných elektrónov v kovu. Okrem teploty závisí rýchlosť iónov najmä od koncentrácie a stupňa disociácie elektrolytu. Výmena náboja prebieha na elektródach s elektrónmi prúdiacimi vo vonkajšom okruhu.
Elektrické vedenie v plynoch
Elektrické vedenie je možné aj v plynoch a vo vákuu (zriedené plyny). V plynoch sú na prenose náboja zapojené elektróny aj ióny excitovaných molekúl plynu. Zvýšenie teploty spôsobené prúdom môže zvýšiť kinetickú energiu častíc, takže pri zrážke s molekulami neutrálneho plynu sa vytvárajú nové nosiče náboja, čo zvyšuje tok prúdu.
Elektrické vedenie vo vákuových trubiciach
Tok prúdu vo vákuovej trubici spôsobujú elektróny. Vychádzajú z katódy tepelným budením vlákna alebo iných vhodných látok. Tento proces sa nazýva tepelná emisia. Elektróny sa potom presunú na kladný pól elektrónovej trubice a prostredníctvom anódového kontaktu uzavrú obvod k zdroju napätia.
Nosiče negatívnych nábojov sa pohybujú od záporného pólu k kladnému pólu.
Pozitívne nosiče náboja sa pohybujú od kladného pólu k zápornému.
Smer fyzického toku je definovaný ako tok elektrónov z katódy na anódu.
Konvenčný alebo technický smer prúdu sa určuje od plus do mínus.
Nie tak vedecky, ale s vtipom na krku sa dá prúd vysvetliť pochopiteľne aj pre neodborníka.
Rýchlosť elektrónov
Rýchlosť elektrónov v kovovom vodiči
Príčinou elektrického prúdu sú smerované pohyby nosičov náboja. Vo väčšine prípadov sú to elektróny. V kovových vodičoch sú to jediné pohyblivé nosiče náboja. Pre každú hodnotu prúdu možno v materiáli vodiča vypočítať rýchlosť, ktorá sa nazýva rýchlosť driftu.
So zvyšujúcim sa prúdom I sa musí vodičom presunúť viac elektrónov za jednotku času. Elektricky neutrálny vodič poskytuje iba určitý počet elektrónov. Čím viac má prúd tiecť, tým rýchlejšie sa musia elektróny pohybovať cez vodič. Pri konštantnej teplote, konštantnej prierezovej ploche a konštantnej hustote náboja je rýchlosť driftu v priamo úmerná elektrickému prúdu: v
Vo väčšej prierezovej ploche A je viac nosičov náboja a na rovnaké množstvo prúdu za jednotku času stačí nižšia rýchlosť elektrónu. Rýchlosť driftu je nepriamo úmerná ploche: v
Ak by vodič mohol poskytnúť viac nosičov náboja, dosiahla by sa rovnaká hodnota prúdu pri konštantnej teplote a rovnakej ploche prierezu s nižšou rýchlosťou elektrónov. Rýchlosť driftu je preto nepriamo úmerná hustote náboja: v
Hustota náboja je počet nosičov náboja e - založený na objemovom prvku. ρ q = n e -/V . Fyzikálna chémia hovorí, že 1 mol látky vždy pozostáva z 6,02205,10 23 častíc. Toto číslo je známe ako číslo Avogadro. Molekulová hmotnosť je molekulová hmotnosť v gramoch a obsahuje presne tento počet častíc. Hustota nosiča náboja sa rovná počtu častíc pomenovaných mol -1 (Avogadrovo číslo) vynásobenému hustotou materiálu vodiča v kg/m³ a vydelenému jeho molekulovou hmotnosťou v kg/mol.
Rýchlosť driftu elektrónov závisí od materiálu vodiča, jeho prierezu, sily prúdu a teploty. So zvyšujúcou sa teplotou sa Brownov molekulárny pohyb zvyšuje a skracuje sa stredná voľná dráha elektrónov. Často sa zachytia v odpudivých elektrických poliach susedných elektrónov, čo znižuje ich relatívnu rýchlosť. Vplyv teploty sa v nasledujúcich výpočtoch nezohľadňuje. Cieľom je vypočítať priemernú rýchlosť driftu elektrónov v medenom drôte. Drôt má prierez 1 mm 2. Prúd je 1 A.
Každý atóm medi poskytuje 1 elektrón na vedenie elektriny.
Molárna hmotnosť medi je 63,6 g/mol.
1 mol obsahuje 6,022,10 23 atómov.
1 mol medi (63,6 g) teda poskytuje 6,022,10 23 elektrónov.
Hustota medi je okolo 8,93 mg/mm 3, čo znamená:
1 mm 3 medi zodpovedá 0,14 · 10 -3 mol. Vynásobené počtom elektrónov/mol, čo znamená:
1 mm 3 medi poskytuje 8,43 · 10 19 elektrónov na vedenie elektriny.
Každý elektrón nesie elementárny náboj 1,6022 10 −19 A s = C (Coulomb).
1 mm 3 medi poskytuje 13,51 A · s na napájanie vedenia.
Elektrický prúd znamená prepravu náboja za jednotku času. Ak sa 13,51 A · s prepraví rýchlosťou 1 mm/s, bude pretekať 13,51 A. Požadovaný prietok prúdu by mal byť 1 A. Elektróny sa v tomto príklade pohybujú veľmi pomaly v = 0,074 mm/s cez hlavu.
Ak sa zvýši prierez medeného drôtu, ohmický odpor sa úmerne zníži. Rýchlosť elektrónov vo vodiči klesá. Pri priereze drôtu 2 mm 2 a predpokladanom prúde 1 A je potrebná polovičná vzdialenosť. Rýchlosť elektrónov je polovičná.
Čím nižší je ohmický odpor kovového vodiča, tým nižšia je relatívna rýchlosť elektrónov pri vedení elektriny.
Rýchlosť elektrónov vo vákuu
Vo vákuových elektrónkach je tok prúdu založený aj na elektrónoch. Sú generované žeravou elektródou, katódou, a urýchľované smerom k anóde pozitívnym anódovým napätím. Aby sa tento proces umožnil, musí byť hadica dobre evakuovaná. Rýchlosť elektrónov závisí od anódového napätia. Čím je vyššia, tým väčšia je sila na jednotlivý elektrón. Je akcelerovaný silnejšie a jeho rýchlosť sa zvyšuje.
Nasledujúci príklad počíta rýchlosť elektrónov vo vákuovej trubici. Napätie pri zrýchlení je také malé, že relativistický nárast hmotnosti ešte nie je potrebné brať do úvahy.
Fyzika učí, že hmotnosť častíc rastie veľmi vysokou rýchlosťou. V relativistickej fyzike je rýchlosť svetla c = 2,99792 · 10 8 m/s univerzálnou prírodnou konštantou. Z toho sa odvodzuje relativistické zvyšovanie hmotnosti. Tieto predpoklady sa musia brať do úvahy vždy, keď je energia zrýchlenia veľká v porovnaní so zvyšnou energiou zrýchlenej častice. Zvyšková energia elektrónu je: m e · c 2 = 0,511 MeV = 8,2 · 10 −14 N · m. Odvodenie používa m pre relativistickú hmotnosť elektrónov a m e pre hmotnosť elektrónov za predpokladu, že celková energia je súčtom kinetickej energie a zvyškovej energie elektrónu.
Zrýchľovacie napätie by teraz malo byť 25 kV. Je teda v rozsahu anódového napätia obrazovky (CRT). Rýchlosť elektrónov vypočítaná podľa zjednodušeného vzťahu dáva: v = 93,769 x 106 m/s. Ak sa vezme do úvahy relativistické zvýšenie hmotnosti, hodnota sa vypočíta ako: v = 90,482 x 106 m/s. Elektróny sa pohybujú oveľa pomalšie.
Elektrina je veľmi tenká. Pre elektrické vedenie však nepotrebujete hadicu. Je taký tenký, že prechádza jednoduchým drôtom. Drevom nemôžete prenášať elektrinu. Drevo to asi nasáva. Rovnako je to aj s plastom.
Ak elektrina nie je potrebná, nie je tenká. Naopak, je hrubý, aby mu nedochádzalo zo zásuvky. Inak by vždy musela byť zástrčka v zásuvke. Stále nie je jasné, ako elektrina vie, kedy je potrebná a musí byť tenká. Pravdepodobne vidí, keď niekto príde do miestnosti s elektrickým spotrebičom.
Elektrina je nielen veľmi tenká, ale aj neviditeľná. Preto nevidíte, či je v drôte elektrina alebo nie. Ak je v drôte elektrina, dotknite sa ho. Volá sa to elektrický šok. Niekedy si ani nič nevšimnete. Buď preto, že nie je elektrina, alebo preto, že ste náhle mŕtvi. Toto sa nazýva aj exitus.
Elektrina je všestranná, môžete s ňou variť, vŕtať, ohrievať a oveľa viac. Ak držíte drôt s elektrinou za iný drôt s elektrinou, iskrí a praskne. Toto sa nazýva skrat. Existujú však záruky. Potom ich musíte vymeniť.
Okrem elektriny v kábli je k dispozícii aj elektrina. Je zabalený v malých škatuliach. Odborník nazýva niečo ako táto batéria. Elektrina v krabici samozrejme nevidí, či je alebo nie je potrebná. Preto niekedy bez dôvodu vyčerpá a zje všetko na kúsky.
Existuje niekoľko druhov elektriny:
Silný prúd: Volá sa to preto, lebo je neuveriteľne silné, čo s tým môžete robiť.
Striedavý prúd: Nazýva sa to preto, lebo sa jeho použitie neustále mení.
Priamy prúd: Volá sa preto, že ho nezaujíma, čo s ním robíš.
. z Internetu/Usenet, autor neznámy