PRM. Prąd elektryczny i jego natężenie.

Prąd elektryczny
i jego natężenie
dr inż. Romuald Kędzierski
Co nazywamy prądem elektrycznym?
Jest to „uporządkowany” ruch ładunków elektrycznych, spowodowany
przez pole elektryczne.
Do przepływu prądu może zajść w ośrodkach posiadających cząstki
mające ładunek elektryczny i mogące się w tym ośrodku poruszać.
Jakie cząstki mogą być nośnikami prądu elektrycznego?
Ciała stałe (metale)
elektrony swobodne
Ciecze
jony ujemne (aniony) i dodatnie (kationy)
Gazy
jony ujemne (aniony) i dodatnie (kationy)
W którą stronę „płynie prąd elektryczny?
Umownie przyjęło się określać kierunek przepływu prądu (stronę, którą
płynie prąd) poprzez ruch ładunków dodatnich, niezależnie od tego
jaki jest rzeczywisty znak i kierunek (strona, w którą płynie prąd)
ruchu nośników w danym materiale.
Prąd elektryczny w przewodnikach metalicznych
Jak definiuje się tzw. natężenie prądu elektrycznego
w przewodnikach?
Jest to iloraz ilości wartości bezwzględnej ładunku elektrycznego,
jaki przepłynął przez rozpatrywany przekrój poprzeczny
przewodnika i czasu, w którym to nastąpiło.
Jest to wielkość skalarna!
Zależność natężenia prądu od czasu a nazwa rodzaju prądu.
- prąd stały płynący w jedną stronę
- prąd przemienny płynący w jedną stronę
- prąd okresowo zmienny płynący w jedną stronę
- prąd zmienny płynący w dwie strony
- prąd okresowo przemienny płynący w dwie strony
Jak można obliczyć wartość prędkości ruchu chaotycznego
(cieplnego) elektronów swobodnych?
Elektrony swobodne można uważać za cząsteczki jednoatomowe gazu doskonałego!
Zadanie 1.
Oblicz wartość prędkości ruchu chaotycznego elektronów swobodnych
w temperaturze 27 ͦC.
Jak można obliczyć wartość prędkości dryfu (unoszenia)
elektronów swobodnych?
Przyjęte znaczenie symboli:
- gęstość materiału, z którego wykonano przewodnik
- pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika
- liczba elektronów swobodnych w jednostce objętości materiału
przewodnika (koncentracja elektronów)
- masa molowa materiału, z którego wykonano przewodnik
- prędkość dryfu (unoszenia), z jaką poruszają się elektrony
wzdłuż przewodnika
- wartość ładunku elementarnego
- liczba elektronów swobodnych znajdujących się w objętości V
materiału przewodnika
elektron
Liczba elektronów znajdujących się w objętości V przewodnika:
Całkowity ładunek elektryczny zawarty w objętości V:
Natężenie prądu płynącego przez rozpatrywany przewodnik:
Ale:
Stąd:
Jak można liczbę elektronów swobodnych znajdujących się w
jednostce objętości przewodnika (koncentrację elektronów)?
Założenie:
Każdy z atomów metalu „daje” jeden elektron swobodny
Zadanie 2.
Gęstość miedzi wynosi około 8900 kg/m3, natomiast jej masa molowa
około 64 g/mol. Oblicz liczbę elektronów swobodnych znajdujących się w
1 mm3 miedzi.
Zadanie 3.
Przez przewodnik miedziany (patrz poprzednie zadanie) płynie prąd o
natężeniu 0,5 A. Oblicz wartość prędkości dryfu elektronów wzdłuż
przewodnika, jeżeli powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika
wynosiła 4 mm2.