..:: FIZYKA ::..

Prąd elektryczny

Część I
Natężenie prądu elektrycznego

Wprowadzenie

W dziale poświęconym elektryczności zwróciliśmy uwagę na to, że wszystkie makroskopowe substancje zbudowane są z ładunków elektrycznych. Te natomiast posiadają pewne właściwości: wytwarzają wokół siebie pole elektryczne o określonym natężeniu oraz doznają działania sił jeśli znajdą się w zewnętrznym polu innych ładunków. Pokazaliśmy też, że ładunki elektryczne w różnych ciałach stałych mogą się nieco inaczej zachowywać. W jednych elektrony są mocno związane ze swoimi macierzystymi atomami w innych elektrony z ostatnich powłok mogą się swobodnie poruszać w całej objętości ciała stałego. Pierwsze nazywamy izolatorami, na drugie mówimy przewodniki.

Dzisiaj skupimy się głównie na przewodnikach dodatkowo tylko tych, które są ciałami stałymi (żelazo, stal, aluminium, złoto, miedź, srebro, grafit)

Oczywiście nie tylko ciała stałe mogą przewodzić prąd elektryczny. Dodatkowo oprócz przewodników i izolatorów istnieją półprzewodniki ale o tym wszystkim innym razem.

Jak możemy wyobrazić sobie przewodnik?

Zadziwiające w jakim zakamarku rzeczywistości się znaleźliśmy. Choć nie posiadamy urządzeń, które potrafią powiększyć mikroświat tak by bezpośrednio oczami zobaczyć co się w nim dzieje na poziomie atomów, to posiadamy wyobraźnię. Ta natomiast jest wsparta szeregiem obserwacji dokonanych w przeszłości oraz tych współczesnych pozwalających nie tyle widzieć bezpośrednio, co obrazować badany świat w zrozumiały sposób. Ponadto wyobraźnia nasza czerpie z matematycznych teorii opisujących rzeczywistość na poziomie relacji i występujących prawidłowości ale o tym wiemy gdy już ją zrozumiemy :).

Posłużmy się więc wyobraźnią i stwórzmy model obrazujący przepływ prądu. Wsiadamy w rakietę do mikroświata, nie bufamy i lecimy. BUM.

Z termodynamiki a także z lekcji chemii posiadamy wyobrażenie, że cała materia zbudowana jest z cząsteczek a te z atomów. Atomy, choć w różnych ciałach tworzą mniej lub bardziej złożone konfiguracje zazwyczaj są dobrze zlokalizowane na swych miejscach.

Jeśli zajrzeć oczami wyobraźni do środka przewodnika można zobaczyć dodatnie jony tworzące coś na wzór sieci krystalicznej. W centrum każdego z jonu znajduje się malutkie, gęste i dodatnie jądro atomowe. W ogromnej odległości wokół niego poruszają się po swoich orbitach elektrony. Większość elektronów każdego z jonów krąży wokół swego jądra z którym są mocno związane, lecz te z ostatnich powłok mogą przemieszczać się swobodnie w całej objętości przewodnika i nazywamy je elektronami swobodnymi.

W każdym niepodłączonym do baterii lub innego zasilnia przewodniu swobodne elektrony poruszają się chaotycznie z ogromnymi średnimi prędkościami rzędu wzór czyli wzór. To ogromna prędkość.

Oprócz tego, że w ogromnej niemal przezroczystej przestrzeni niczym cząsteczki wiatru poruszają się swobodne elektrony, to każde jądro jonu mimo, że uwięzione w sieci krystalicznej przewodnika wykonuje drgania, tym większe im wyższa temperatura ciała.

Ważne podsumowanie:
Dodatnie jądra jonów wykonują drgania wokół swych położeń równowagi, natomiast swobodne elektrony przewodnika poruszają się chaotycznie w całej jego objętości, co schematycznie przedstawiono na poniższym rysunku.

Swobodne elektrony w miedzi

Czym jest prąd elektryczny w przewodniku?

Jeśli do przewodnika – takiego jak opisany powyżej – podłączymy źródło zasilania (na przykład baterię) to wewnątrz przewodnika wytworzy się pole elektryczne. Jeszcze dobrze pamiętamy dobrze pamiętamy, że w polu elektrycznym na każdą cząstkę naładowaną działa siła wprawiająca ją w ruch. Tak też dzieje się w przewodniku. W konsekwencji pojawienia się pola elektrycznego na każde dodatnie jądro jonu i na każdy ujemny elektron zaczyna działać odpowiednio skierowana siła. Jądra mimo działającej siły nie mogą się ruszyć z miejsca. Są mocno uwięzione. Natomiast swobodne elektrony, te z ostatnich powłok, zaczynają wspólnie dryfować w określonym kierunku od potencjału ujemnego do dodatniego, co pokazano poniżej.

Uporządkowany ruch elektronów

Robocza definicja prądu elektrycznego:
Prądem elektrycznym w przypadku przewodników będziemy nazywali skierowany kolektywny ruch swobodnych elektronów.

Podsumowując nasze wyobrażenie przepływu prądu:

  • prąd elektryczny w przewodniku tworzą poruszające się w określonym kierunku swobodne elektrony – tylko one;
  • dodatnie jądra jonów są uwięzione w sieci krystalicznej przewodnika i mimo, że działa na nie w polu elektrycznym siła nie przemieszczają się, podobnie jak pozostałe, bliższe jądru elektrony;
  • dryf elektronów swobodnych nakłada się na ich chaotyczny ruch, dlatego ten dryf lepiej wyobrażać sobie jako pewien ruch wypadkowy.

Natężenie prądu elektrycznego

Każdy przewodnik posiada swoje wymiary geometryczne. Możemy więc zmierzyć jego długość a także wyznaczyć pole przekroju poprzecznego. Nas za moment będzie interesował przekrój poprzeczny o czym za chwilę.

Jeśli podłączymy nasz przewodnik do zasilania zacznie w nim płynąć prąd elektryczny. Natężenie prądu oznaczamy literką wzór. Wiemy już, że prąd elektryczny tworzą poruszające się w określonym kierunku ładunki elektryczne – oznaczmy każdy ładunek przez wzór.

Teraz możemy zacząć zliczać :) ile ładunków elektrycznych wzór przepłynie w określonym przedziale czasu wzór przez nasz przekrój poprzeczny przewodnika. Im więcej ładunków przepłynie w takim samym przedziale czasu tym większe natężenie prądu zarejestrujemy.

Natężenie prądu elektrycznego

Definicja natężenia prądu:
Natężeniem prądu elektrycznego wzór będziemy nazywali stosunek ilości ładunku elektrycznego wzór jaki przepłynął przez przekrój poprzeczny przewodnika do określonego przedziału czasu wzór w jakim ten przepływ nastąpił.

wzór

Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper, który równa się jednostce kulomba podzielonej przez jednostkę czasu wzór.

Podsumowanie

Zarówno izolatory jak przewodniki zbudowane są z atomów. W izolatorach całe atomy są uwięzione na swoich pozycjach. Nie mają swobodnych elektronów więc nie są zjonizowane. Brak swobodnych elektronów powoduje, że nie przewodzą prądu.

W przewodnikach swobodne elektrony opuszczają swoje atomy co powoduje, że te stają się jonami dodatnimi. Jony dodatnie w przewodnikach podobnie jak całe atomy w izolatorach są uwięzione i tylko wykonują drgania związane z temperaturą w jakiej się znajdują. Tylko elektrony swobodne poruszają się po całym przewodniku a w przypadku podłączenia go do zasilania zaczynają dryfować w określonym kierunku tworząc prąd elektryczny.

W innych substancjach (cieczach, półprzewodnikach) prąd elektryczny mogą tworzyć zarówno ładunki dodatnie (jony dodatnie, dziury elektronowe) oraz ładunki ujemne (jony ujemne, elektrony) o czym powiemy więcej przy innej okazji.

Koniec części IV



..:: Prąd elektryczny :: Spis treści ::..    ..:: Spis treści :: Prąd elektryczny ::..

      »»»    Natężenie prądu elektrycznego Część I

Jeśli masz jakieś uwagi, pytania odnośnie tego działu skorzystaj z
forum fizyka

GÓRA         SZKOŁA         

©2007-2016 Licencja Creative Commons