Elektromos áram és elektronsebesség
Elektromos áram
A fémek atomrácsában a vegyérték- és vezetősávok átfedik egymást, így a vegyérték-elektronok szabadon mozoghatnak a rácsban, és vizuálisan elektrongázként viselkednek. Rendetlen rendben mozognak a kristályszerkezetben. Ezenkívül a fématomok a rácshelyzetükben a nyugalmi helyzetük körül lengenek. A hő hozzáadása növeli a rezgési amplitúdókat, és az egyes atomok több helyet igényelnek. A fém kitágul. A folyamat visszafordítható, mert lehűléskor a hangerő ismét csökken.
Ha egy elektromos mezőt alkalmaz egy villamosan semleges fémhuzalra úgy, hogy azt feszültségforráshoz kapcsolja, akkor a korábban rendezetlen elektronmozgás rendezett, irányított mozgássá változik. A vezetőn elektromos áram folyik.
Az elektromos áram a töltéshordozók irányított mozgása.
Az elektromos feszültség az elektromos áram oka.
Az aktuális szilárdság a töltés másodpercenkénti mértéke a vezető bármely pontján.
A fémes vezetőben az elektromos áram csak a töltéshordozókat szállítja, és nem változtatja meg az anyagot. A sodródó elektronok mechanikai kölcsönhatása a szilárdtestrács más elektronjaival és fématomjaival felmelegedést okozhat. A hőmérséklet emelkedése növeli a részecskék hőingadozásait, és ezáltal csökkenti a szabad elektronok átlagos szabad útját. Az áram irányított áramlása akadályozott és csökken. Az elektromos áram szimbóluma az ÉN.. A mértékegység az amper a szimbólummal A..
Az áramerősség meghatározása
1 A időbeli állandó áram két végtelen hosszúságú, egymástól 1 m távolságra lévő ideális vezető közötti vákuumban működik, 2 · 10exp - 7 N erővel. Ez a jelenlegi meghatározás elkerüli a mérési technológiát. A történeti meghatározás szerint a vizes ezüst-nitrát-oldatból származó 1 A elektromosan állandó áram 1,118 mg ezüstöt választ el egy másodperc alatt az elektrolízis eredményeként. Az elektromos áram szállítja az elektromos töltéseket, és azt is meghatározzák, mint az időegységre eső töltés mennyiségét. 1 A = 1 C/s, ahol 1 C = 6,24151 · 10exp18 az elemi töltéseknek felel meg. Az elektron elemi töltését e = 1,6021 · 10exp-19 As = C értékkel adjuk meg.
Elektronvezetés
A fémekben az elektromos áram vezetéséért csak az elektronok felelősek. Mivel az elektron elemi töltése nagyon kicsi, rendkívül nagy számú elektron/másodperc (~ 6,24 · 10exp18 C/s) töltésátvitelre van szükség 1 amper áramerősséghez. A fémes vezetőben az elektron sodródási sebessége csak néhány milliméter másodpercenként, miután elektromos mezőt alkalmaznak. Bekapcsolás után az áram azonnal áramlik az áramkör minden pontján. Mivel a vezető elektromosan semleges marad, a vezető elején belépő elektron arra kényszeríti a másik elektront, hogy azonnal elhagyja a vezető végét. A mozgásimpulzus vagy az áramütésről szóló információ szinte fénysebességgel, 300 000 km/s körül terjed az elektromos áramkörben. A vezető anyagától és szerkezetétől függően ez az információátvitel akár 30% -kal is lassabb lehet.
Ionvezetés
Elektrolitoldatokban vagy olvadt sókban a töltés transzportja különböző töltésű ionokon keresztül megy végbe. Az elektrolit a külvilággal szemben semleges. Néhány ion egynél több elemi töltetet képes szállítani. Mivel nagyobbak, sodródási sebességük lassabb, mint a fémben lévő szabad elektronoké. A hőmérséklet mellett az ionok sebessége különösen függ az elektrolit koncentrációjától és disszociációs fokától. Az elektródáknál töltéscsere történik a külső áramkörben áramló elektronokkal.
Elektromos vezeték gázokban
Elektromos vezeték gázokban és vákuumban is lehetséges (hígított gázok). A gázokban a gerjesztett gázmolekulák elektronjai és ionjai egyaránt részt vesznek a töltés transzportjában. Az áram okozta hőmérséklet-növekedés növelheti a részecskék kinetikus energiáját, így amikor semleges gázmolekulákkal ütköznek, új töltéshordozók keletkeznek, ami növeli az áram áramlását.
Tápvezeték vákuumcsövekben
Az áramot a vákuumcsőben elektronok okozzák. A katódból az izzószál vagy más alkalmas anyag hőhatásával kerülnek elő. Ezt a folyamatot nevezzük termikus emissziónak. Ezután az elektronok az elektroncső pozitív pólusába mozdulnak el, és az anód érintkezőn keresztül az áramkört a feszültségforráshoz zárják.
A negatív töltéshordozók a negatív pólusból a pozitív pólusba mozognak.
A pozitív töltéshordozók a pozitív pólusról a negatív pólusra mozognak.
A fizikai áramlás irányát a katódból az anódba áramló elektron áramlásaként határozzuk meg.
Az áram hagyományos vagy technikai irányát plusztól mínuszig határozzák meg.
Nem annyira tudományosan, de a nyakon lévő vicc mellett az áram még nem szakértő számára is érthetően megmagyarázható.
Az elektronok sebessége
Elektron sebesség a fémes vezetőben
Az elektromos áram oka a töltéshordozók irányított mozgása. A legtöbb esetben az elektronokról van szó. A fémes vezetőkben ezek az egyetlen mozgatható töltéshordozó. Minden áramértéknél kiszámítható a vezető anyagban a sodródási sebesség néven ismert fordulatszám.
Az I áram növekedésével időegységenként több elektront kell mozgatni a vezetőn. Az elektromosan semleges vezető csak bizonyos számú elektront szolgáltat. Minél több áram folyik, annál gyorsabban kell az elektronoknak átmenniük a vezetőn. Állandó hőmérsékleten, állandó keresztmetszeti területen és állandó töltéssűrűség mellett a v sodródási sebesség egyenesen arányos az elektromos árammal: v
A nagyobb A keresztmetszeti területen több töltéshordozó van, és alacsonyabb elektronsebesség elegendő ugyanannyi áramra időegységenként. A sodrási sebesség fordítottan arányos a területtel: v
Ha egy vezető több töltéshordozót tudna biztosítani, akkor ugyanaz az áramérték állandó hőmérsékleten és ugyanolyan keresztmetszeti területen érhető el alacsonyabb elektronsebesség mellett. A sodrási sebesség tehát fordítottan arányos a töltéssűrűséggel: v
A töltéssűrűség az e-töltéshordozók száma egy térfogatelem alapján. ρ q = n e -/V . A fizikai kémia azt mondja, hogy 1 mól anyag mindig 6.02205 · 10 23 részecskéből áll. Ez a szám Avogadro szám néven ismert. A molekulatömeg a molekulatömeg grammokban, és pontosan ennyi részecskét tartalmaz. A töltéshordozó sűrűsége megegyezik a mol −1 nevű részecskék számával (Avogadro száma), szorozva a vezető anyag sűrűségével (kg/m³), és elosztva annak molekulatömegével (kg/mol).
Az elektronok sodródási sebessége a vezető anyagától, annak keresztmetszetétől, az áram erősségétől és a hőmérséklettől függ. A hőmérséklet növekedésével a Brown molekuláris mozgása megnöveli és lerövidíti az elektronok átlagos szabad útját. Gyakran elkapják a szomszédos elektronok taszító elektromos terét, ami csökkenti relatív sebességüket. A hőmérséklet hatását a következő számítások nem veszik figyelembe. Meg kell számítani az elektronok átlagos sodródási sebességét a rézhuzalban. A vezeték keresztmetszete 1 mm 2. Az áram 1 A.
Minden rézatom 1 elektront biztosít az elektromosság vezetésére.
A réz moláris tömege 63,6 g/mol.
1 mol 6.022 · 10 23 atomot tartalmaz.
1 mól réz (63,6 g) így 6,022 · 10 23 elektron.
A réz sűrűsége körülbelül 8,93 mg/mm 3, ami azt jelenti:
1 mm 3 réz 0,14 · 10-3 molnak felel meg. Megszorozva az elektronok/mol számával, ami azt jelenti:
1 mm 3 réz 8,43 · 10 19 elektronot szolgáltat az áram vezetésére.
Minden elektron hordozza az 1.6022 10 −19 A s = C (Coulomb) elemi töltését.
1 mm 3 réz 13,51 A · s-ot szolgáltat a vezeték táplálásához.
Az elektromos áram időegységenkénti töltés-szállítást jelent. Ha 13,51 A · s 1 mm/s sebességgel szállítódik, akkor 13,51 A áramlik. A szükséges áramáram 1 A legyen. Az elektronok ebben a példában nagyon lassan mozognak v = 0,074 mm/s a fején keresztül.
Ha a rézhuzal keresztmetszete megnő, az ohmos ellenállás arányosan csökken. A vezetőben az elektronok sebessége csökken. 2 mm 2 huzalkeresztmetszettel és 1 A tervezett árammal a távolság fele szükséges. Az elektron sebessége a felére csökken.
Minél alacsonyabb egy fémes vezető ohmos ellenállása, annál alacsonyabb az elektronok relatív sebessége az elektromos áram vezetésekor.
Az elektron sebessége vákuumban
A vákuum elektroncsövekben az áram áramlása is az elektronokon alapul. Izzóelektród, a katód generálja őket, és az anód felé pozitív anódfeszültség gyorsítja fel őket. A folyamat lehetővé tételéhez a csövet jól ki kell üríteni. Az elektronok sebessége az anódfeszültségtől függ. Minél magasabb, annál nagyobb az erő az egyes elektronokra. Erősebben gyorsul és sebessége növekszik.
A következő példa kiszámítja az elektronok sebességét egy vákuumcsőben. A gyorsulási feszültség olyan kicsi, hogy a tömeg relativisztikus növekedését még nem kell figyelembe venni.
A fizika azt tanítja, hogy nagyon nagy sebességgel nő a részecske tömege. A relativisztikus fizikában a fénysebesség c = 2,99792 · 10 8 m/s univerzális természetes állandó. A relativisztikus tömegnövekedés ebből származik. Ezeket az előfeltételeket mindig figyelembe kell venni, ha a gyorsulási energia nagy a gyorsított részecske nyugalmi energiájához képest. Az elektron nyugalmi energiája: m e · c 2 = 0,511 MeV = 8,2 · 10 −14 N · m. A levezetés m-et használ a relativisztikus elektrontömeghez és m e-t az elektrontömeghez azzal a feltételezéssel, hogy az összenergia az elektron mozgási és nyugalmi energiájának összege.
A gyorsulási feszültségnek most 25 kV-nak kell lennie. Így a monitor képcső (CRT) anódfeszültségének tartományában van. Az elektronok egyszerűsített összefüggés alapján számított sebessége a következőket adja: v = 93,769 x 106 m/s. Ha figyelembe vesszük a relativisztikus tömegnövekedést, akkor az értéket a következőképpen kell kiszámítani: v = 90,482 x 106 m/s. Az elektronok sokkal lassabban mozognak.
Az áram nagyon vékony. Az áramvezetékhez azonban nincs szükség tömlőre. Olyan vékony, hogy egyszerű vezetéken megy keresztül. Fával nem lehet villamos energiát továbbítani. A fa valószínűleg elszívja. Ugyanez van a műanyaggal is.
Ha nincs szükség áramra, akkor nem vékony. Ellenkezőleg, vastag, így nem fut ki az aljzatból. Ellenkező esetben mindig kell lennie egy csatlakozónak az aljzaton. Még mindig nem világos, hogy az áram hogyan tudja, mikor van rá szükség és mikor kell vékonynak lennie. Valószínűleg látja, ha valaki elektromos készülékkel jön be a szobába.
A villamos energia nemcsak nagyon vékony, hanem láthatatlan is. Ezért nem láthatja, hogy van-e áram a vezetékben, vagy sem. Ha áram van a vezetékben, akkor fáj, ha megérinti. Áramütésnek hívják. Néha észre sem vesz semmit. Vagy azért, mert nincs áram, vagy azért, mert hirtelen meghalt. Ezt nevezik exitusnak is.
Az áram sokoldalú, főzni, fúrni, melegíteni és még sok minden mást lehet vele. Ha egy elektromos vezetéket tart egy másik vezetékkel, akkor az szikrázik és felpattan. Ezt rövidzárlatnak nevezzük. De erre vannak biztosítékok. Utána ki kell cserélni őket.
A kábelben lévő áram mellett van áram, amelyet magával kell vinni. Kis dobozokba van csomagolva. A szakember ilyesmit hív, mint ez az akkumulátor. Természetesen a dobozban lévő áram nem látja, hogy szükség van-e rá. Ezért néha ok nélkül elfogy és mindent darabokra eszik.
Többféle villamos energia létezik:
Nagy áram: Azért hívják, mert hihetetlenül erős, amit tehetsz vele.
Váltakozó áram: Azért hívják, mert a használata folyamatosan változik.
Egyenáram: A neve azért van, mert nem érdekli, mit csinálsz vele.
. az internetről/Usenetről, a szerző ismeretlen