Elektrischer Strom

Elektrischer Strom
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Eine einfache elektrische Schaltung, bei der der Strom durch den Buchstaben dargestellt wird i. Die Beziehung zwischen Spannung (V), Widerstand (R) und Strom (i) ist V = ir; Dies ist bekannt als als Ohm'sches Gesetz.
Gemeinsame Symbole
I
SI-Einheit Ampere
Ableitungen von
Andere Mengen
Abmessungen

Ein elektrischer Strom ist ein Strom von geladene Partikel, wie zum Beispiel Elektronen oder Ionen, durch eine Elektrikleiter oder Raum. Es wird als Nettostromrate von gemessen elektrische Ladung durch eine Oberfläche oder in a Steuervolumen.[1]: 2[2]: 622 Die sich bewegenden Partikel werden genannt Anklagekräfte, die je nach Leiter einer von verschiedenen Partikeln sein können. Im Stromkreise Die Gebührenträger sind oft Elektronen durch a Kabel. Im Halbleiter Sie können Elektronen sein oder Löcher. In einem (n Elektrolyt Die Gebührenträger sind Ionen, während in Plasma, ein ionisiertes Gas, sie sind Ionen und Elektronen.[3]

Das Si Einheit des elektrischen Stroms ist das Ampere, oder Ampere, was der Strom der elektrischen Ladung über eine Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von einem ist Coulomb pro Sekunde. Das Ampere (Symbol: A) ist eine SI -Basiseinheit.[4]: fünfzehn Der elektrische Strom wird unter Verwendung eines Geräts bezeichnet Amperemeter.[2]: 788

Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder, die in Motoren, Generatoren verwendet werden, Induktoren, und Transformer. In gewöhnlichen Leitern verursachen sie Joule Heizung, was schafft hell in Glühbirnenlampen. Zeitvariable Ströme emittieren Elektromagnetische Wellen, die verwendet werden in Telekommunikation Informationen übertragen.

Symbol

Das herkömmliche Symbol für Strom ist I, der aus der französischen Ausdruck stammt Intensibité du Courant, (Stromintensität).[5][6] Die derzeitige Intensität wird oft einfach als als bezeichnet aktuell.[7] Das I Symbol wurde von verwendet von André-Marie Ampère, nach dem die Einheit des elektrischen Stroms in Formulierung benannt ist Ampère -Kraftgesetz (1820).[8] Die Notation reiste von Frankreich nach Großbritannien, wo sie Standard wurde, obwohl sich mindestens eine Zeitschrift nicht von der Verwendung verändert hat C zu I Bis 1896.[9]

Konventionen

Das Elektronen, das Anklagekräfte In einem elektrischen Stromkreis in die entgegengesetzte Richtung des herkömmlichen elektrischen Stroms fließen.
Das Symbol für eine Batterie in a Schaltplan.

In einem leitendes Material, Die beweglichen geladenen Partikel, die den elektrischen Strom ausmachen, werden genannt Anklagekräfte. In Metallen, die die Kabel und andere Leiter in den meisten bestehen Stromkreise, die positiv aufgeladenen Atomkerne der Atome werden in einer festen Position gehalten und die negativ geladen Elektronen sind die Gebührenträger, die sich im Metall frei bewegen können. In anderen Materialien, insbesondere die HalbleiterDie Gebührenträger können positiv sein oder negativ, abhängig von der Dopant Gebraucht. Positive und negative Ladungsträger können sogar gleichzeitig vorhanden sein, wie es in einem passiert Elektrolyt in einem (n Elektrochemische Zelle.

Ein Fluss positiver Ladungen ergibt den gleichen elektrischen Strom und hat den gleichen Effekt in einer Schaltung wie ein gleicher Durchfluss negativer Ladungen in die entgegengesetzte Richtung. Da Strom der Fluss von positiven oder negativen Ladungen oder beides sein kann, ist eine Konvention für die Richtung des Stroms erforderlich, die unabhängig von der Art von ist Anklagekräfte. Die Richtung von Konventioneller Strom wird willkürlich als die Richtung definiert, in der positive Ladungen fließen. Negativ geladene Träger wie die Elektronen (die Ladungsträger in Metalldrähten und viele andere elektronische Schaltkomponenten) fließen daher in die entgegengesetzte Richtung des herkömmlichen Stromflusses in einem elektrischen Schaltkreis.

Referenzrichtung

Ein Strom in einem Draht oder Schaltungselement kann in zwei Richtungen fließen. Bei der Definition a Variable Um den Strom darzustellen, muss die Richtung, die einen positiven Strom darstellt, angegeben werden, normalerweise durch einen Pfeil auf dem Schaltkreis schematische Darstellung.[a]: 13 Dies nennt man die Referenzrichtung of the current . Wann Analyse von elektrischen SchaltungenDie tatsächliche Stromrichtung durch ein bestimmtes Schaltungselement ist normalerweise nicht bekannt, bis die Analyse abgeschlossen ist. Folglich werden die Referenzanweisungen von Strömen häufig willkürlich zugeordnet. Wenn die Schaltung gelöst wird, impliziert ein negativer Wert für den Strom die tatsächliche Stromrichtung durch dieses Schaltungselement entgegen der gewählten Referenzrichtung.[b]: 29

Ohm'sches Gesetz

Das OHM -Gesetz besagt, dass der Strom durch einen Dirigent zwischen zwei Punkten direkt ist proportional zum Potenzieller unterschied über die beiden Punkte. Einführung der Konstante der Verhältnismäßigkeit, die Widerstand,[11] Man kommt zu der üblichen mathematischen Gleichung, die diese Beziehung beschreibt:[12]

wo I ist der Strom durch den Leiter in Einheiten von Ampere, V ist die Potentialdifferenz gemessen? über der Leiter in Einheiten von Volt, und R ist der Widerstand des Leiters in Einheiten von Ohm. Insbesondere besagt das Gesetz von OHM, dass die R In dieser Beziehung ist konstant, unabhängig vom Strom.[13]

Wechsel- und Direktstrom

Im Wechselstrom (AC) -Systeme, die Bewegung von elektrische Ladung Umkehrt regelmäßig die Richtung. AC ist die Form von elektrische Energie am häufigsten an Unternehmen und Wohnheime geliefert. Das Übliche Wellenform von einem Wechselstromkraft Schaltung ist a SinusObwohl bestimmte Anwendungen alternative Wellenformen verwenden, wie z. dreieckig oder Quadratwellen. Audio und Radio Signale, die auf elektrischen Drähten befördert werden, sind auch Beispiele für abwechselnden Strom. Ein wichtiges Ziel bei diesen Anwendungen ist die Wiederherstellung von Informationen, die codiert sind (oder moduliert) auf das Wechselstromsignal.

Im Gegensatz, Gleichstrom (DC) bezieht sich auf ein System, in dem die Bewegung der elektrischen Ladung in nur eine Richtung (manchmal als unidirektionaler Strömung bezeichnet wird). Gleichstrom erzeugt von Quellen wie z. Batterien, Thermoelemente, Solarzellen, und Kommutator-Type elektrische Maschinen der Dynamo Typ. Wechselstrom kann auch durch Verwendung von a in Gleichstrom konvertiert werden Gleichrichter. Gleichstrom kann in a fließen Dirigent wie ein Draht, kann aber auch durchfließen Halbleiter, Isolatoren, oder sogar durch a Vakuum wie in Elektronen- oder Ionenstrahlen. Ein alte Bezeichnung Für den Gleichstrom war galvanischer Strom.[14]

Vorkommen

Zu den natürlichen beobachtbaren Beispielen für den elektrischen Strom gehören Blitz, statische elektrische Entladung, und die Sonnenwinddie Quelle der Polar Auroras.

Zu den künstlichen Ereignissen des elektrischen Stroms gehören der Fluss von Leitungselektronen in Metalldrähten wie die Liefern von Overhead-Stromleitungen elektrische Energie über große Entfernungen und die kleineren Drähte in elektrischen und elektronischen Geräten. Wirbelströme sind elektrische Ströme, die in Leitern auftreten, die sich wechselnden Magnetfeldern aussetzen. In ähnlicher Weise treten elektrische Ströme, insbesondere in der Oberfläche, von Leitern auf, die ausgesetzt sind Elektromagnetische Wellen. Beim Schwanger der elektrischen Ströme fließen bei den richtigen Spannungen innerhalb Radioantennen, Radiowellen sind generiert.

Im Elektronik, andere Formen des elektrischen Stroms umfassen den Elektronenfluss durch Widerstände oder durch das Vakuum in a Vakuumröhre, der Fluss von Ionen in a Batterieund der Fluss von Löcher Innerhalb von Metallen und Halbleiter.

Ein biologisches Beispiel für Strom ist der Ionenfluss in Neuronen und Nerven, verantwortlich für das Denken und die sensorische Wahrnehmung.

Strommessung

Strom kann mit einem gemessen werden Amperemeter.

Elektrischer Strom kann direkt mit a gemessen werden GalvanometerAber diese Methode beinhaltet das Brechen der Stromkreis, was manchmal unpraktisch ist.

Strom kann auch gemessen werden, ohne den Stromkreis zu brechen, indem das mit dem Strom verbundene Magnetfeld erfasst wird. Geräte auf der Schaltungsebene verwenden verschiedene Verschiedene Techniken Strom messen:

Widerstandsheizung

Joule Heizung, auch bekannt als als Ohmische Heizung und Widerstandsheizung, ist der Prozess von Energieverschwendung[17]: 36 durch den der Durchgang eines elektrischen Stroms durch a Dirigent Erhöht die innere Energie des Leiters,[18]: 846 Konvertieren Thermodynamische Arbeit hinein Wärme.[18]: 846, fn. 5 Das Phänomen wurde erstmals von untersucht James Prescott Joule Im Jahr 1841 tauchte Joule eine Länge Draht in einen festen Masse von Wasser und maß das Temperatur Erhöhung aufgrund eines bekannten Stroms durch den Draht für eine 30 Minute Zeitraum. Durch Variieren des Stroms und der Länge des Drahtes, den er abgeleitete proportional zum Quadrat des aktuellen multiplizierten mit der elektrischer Wiederstand des Drahtes.

Diese Beziehung ist als bekannt als als Juleschen Gesetz.[17]: 36 Das SI-Einheit von Energie wurde anschließend die genannt Joule und gegeben das Symbol J.[4]: 20 Die häufig bekannte SI -Einheit der Leistung, die Watt (Symbol: W), entspricht einer Joule pro Sekunde.[4]: 20

Elektromagnetismus

Elektromagnet

Magnetfeld wird durch einen elektrischen Strom in a erzeugt Magnet.

In einem Elektromagneten verhält sich eine Drähtespule wie ein Magnet, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Wenn der Strom ausgeschaltet ist, verliert die Spule sofort ihren Magnetismus. Elektrischer Strom erzeugt a Magnetfeld. Das Magnetfeld kann als Muster der kreisförmigen Feldlinien visualisiert werden, die den Draht umgeben, der anhält, solange es Strom gibt.

Elektromagnetische Induktion

Wechseln der elektrischen Strom fließt durch den Magnet und erzeugen ein sich ändernder Magnetfeld. Dieses Feld führt dazu, dass ein elektrischer Strom in der Drahtschleife durch fließt Elektromagnetische Induktion.

Magnetfelder können auch zur Herstellung elektrischer Ströme verwendet werden. Wenn ein sich ändernder Magnetfeld auf einen Leiter angewendet wird elektromotorische Kraft (EMF) wird induziert,[18]: 1004 Dies beginnt einen elektrischen Strom, wenn es einen geeigneten Weg gibt.

Radiowellen

Wenn ein elektrischer Strom in a fließt Angemessener Leiter bei Funkfrequenzen, Radiowellen kann generiert werden. Diese reisen am Lichtgeschwindigkeit und kann in entfernten Leitern elektrische Ströme verursachen.

Leitungsmechanismen in verschiedenen Medien

In metallischen Feststoffen fließt die elektrische Ladung mithilfe von Elektronenvon niedriger bis höher elektrisches Potential. In anderen Medien kann jeder Strom geladener Objekte (z. B. Ionen) einen elektrischen Strom darstellen. Um eine Definition des Stroms unabhängig von der Art der Ladungsträger zu liefern, Konventioneller Strom ist definiert als sich in die gleiche Richtung wie der positive Ladungsfluss. In Metallen, in denen die Ladungsträger (Elektronen) negativ sind, liegt der herkömmliche Strom in die entgegengesetzte Richtung zur Gesamtelektronenbewegung. In Leitern, in denen die Ladungsträger positiv sind, liegt der konventionelle Strom in die gleiche Richtung wie die Ladungsträger.

In einem VakuumEs kann ein Strahl von Ionen oder Elektronen gebildet werden. In anderen leitenden Materialien ist der elektrische Strom auf den Fluss sowohl positiv als auch negativ geladener Partikel gleichzeitig zurückzuführen. In anderen anderen ist der Strom vollständig auf positiver Ladungsfluss. Zum Beispiel die elektrischen Strömungen in Elektrolyte sind Flüsse positiver und negativ geladener Ionen. In einer gemeinsamen Blei-Säure elektrochemisch Zell, elektrische Strömungen bestehen aus positiv Hydronium Ionen, die in eine Richtung fließen, und negative Sulfationen, die in der anderen fließen. Elektrische Ströme in Funken oder Plasma sind sowohl Elektronenströme als auch positive und negative Ionen. In Eis und in bestimmten festen Elektrolyten besteht der elektrische Strom vollständig aus fließenden Ionen.

Metalle

In einem MetallEinige der äußeren Elektronen in jedem Atom sind nicht an die einzelnen Moleküle gebunden, wie sie in molekulare Feststoffeoder in vollen Bändern, wie sie in isolierenden Materialien sind, können sich jedoch innerhalb der bewegen Metallgitter. Diese Leitungselektronen kann als Anklagekräfteeinen Strom tragen. Metalle sind besonders leitfähig, da es viele dieser freien Elektronen gibt. Ohne extern elektrisches Feld Angewendet, bewegen sich diese Elektronen zufällig aufgrund von Wärmeenergie Im Durchschnitt gibt es im Metall jedoch im Durchschnitt keinen Nettostrom. Bei Raumtemperatur beträgt die Durchschnittsgeschwindigkeit dieser zufälligen Bewegungen 106 Meter pro Sekunde.[19] Bei einer Oberfläche, durch die ein Metalldraht fließt, bewegen sich die Elektronen mit gleicher Geschwindigkeit in beide Richtungen über die Oberfläche. Wie George Gamow schrieb in seinem Populärwissenschaften Buchen, Ein, zwei, drei ... unendlich (1947): "Die metallischen Substanzen unterscheiden sich von allen anderen Materialien, indem die äußeren Schalen ihrer Atome ziemlich locker gebunden sind und oft eine ihrer Elektronen freilegen lassen. So wird das Innere eines Metalls mit einem großen gefüllt Anzahl der nicht gebundenen Elektronen, die sich ziellos wie eine Menge Vertriebenen bewegen. Wenn ein Metalldraht einer elektrischen Kraft ausgesetzt ist, die auf ihre gegenüberliegenden Enden angewendet wird, eilen diese freien Elektronen in Richtung der Kraft und bilden so einen elektrischen Strom. "

Wenn ein Metalldraht an den beiden Klemmen von a angeschlossen ist DC Spannungsquelle so wie ein Batterie, Die Quelle legt ein elektrisches Feld über den Leiter. In dem Moment, in dem Kontakt hergestellt wird, müssen die freien Elektronen des Leiters gezwungen werden positiv Terminal unter dem Einfluss dieses Feldes. Die freien Elektronen sind daher die Anklagestreifen in einem typischen festen Leiter.

Für einen stetigen Ladungsfluss durch eine Oberfläche den Strom I (in Ampere) können mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

wo Q Ist die elektrische Ladung über a über die Oberfläche übertragen? Zeit t. Wenn Q und t werden in gemessen Coulombs und Sekunden, jeweils, I ist in Ampere.

Allgemeiner kann der elektrische Strom als die Rate dargestellt werden, mit der die Ladung durch eine bestimmte Oberfläche fließt wie folgt:

Elektrolyte

A Protonenleiter in einer statischen elektrisches Feld.

Elektrische Ströme in Elektrolyte sind Flüsse elektrisch geladener Partikel (Ionen). Zum Beispiel, wenn ein elektrisches Feld über eine Lösung von platziert wird N / A+ und Cl (und Bedingungen sind richtig) Die Natriumionen bewegen sich in Richtung der negativen Elektrode (Kathode), während sich die Chloridionen in Richtung der positiven Elektrode (Anode) bewegen. Reaktionen finden auf beiden Elektrodenoberflächen statt, wodurch jedes Ion neutralisiert wird.

Wassereis und bestimmte feste Elektrolyte genannt Protonenleiter positive Wasserstoffionen enthalten ("Protonen"), die mobil sind. In diesen Materialien bestehen elektrische Ströme aus beweglichen Protonen im Gegensatz zu den sich bewegenden Elektronen in Metallen.

In bestimmten Elektrolytmischungen sind bunte Ionen die sich bewegenden elektrischen Ladungen. Der langsame Fortschritt der Farbe macht den Strom sichtbar.[20]

Gase und Plasmen

In Luft und anderen gewöhnlichen Gase Unterhalb des Breakdown -Feldes erfolgt die dominierende Quelle für die elektrische Leitung über relativ wenige mobile Ionen, die durch radioaktive Gase, ultraviolettes Licht oder kosmische Strahlen erzeugt werden. Da die elektrische Leitfähigkeit niedrig ist, sind Gase Dielektrik oder Isolatoren. Sobald das angewendet wurde elektrisches Feld nähert sich dem abbauen Wert, freie Elektronen werden vom elektrischen Feld ausreichend beschleunigt, um zusätzliche freie Elektronen durch Kollidieren zu erzeugen und ionisieren, neutrale Gasatome oder Moleküle in einem Prozess genannt Avalanche -Zusammenbruch. Der Aufschlüsselungsprozess bildet a Plasma Das enthält genügend mobile Elektronen und positive Ionen, um es zu einem elektrischen Leiter zu machen. Dabei bildet es einen leichten leitenden Pfad wie a Funke, Bogen oder Blitz.

Plasma ist der Zustand der Materie, in dem einige der Elektronen in einem Gas von ihren gestrippt oder "ionisiert" werden Moleküle oder Atome. Ein Plasma kann durch hoch gebildet werden Temperatur, oder durch Anwendung eines hohen elektrischen oder abwechselnden Magnetfeldes, wie oben angegeben. Aufgrund ihrer niedrigeren Masse beschleunigen die Elektronen in einem Plasma schneller als Reaktion auf ein elektrisches Feld als die schwereren positiven Ionen und tragen daher den Großteil des Stroms. Die freien Ionen rekombine, um neue chemische Verbindungen zu erzeugen (z. B. den atmosphärischen Sauerstoff in Einzelsauerstoff einbrennen [O.2 → 2o], die dann rekombine erzeugt werden Ozon3]).[21]

Vakuum

Seit einem "Perfektes Vakuum"Enthält keine geladenen Partikel, es verhält sich normalerweise als perfekter Isolator. Metallelektrodenoberflächen können jedoch dazu führen, dass ein Bereich des Vakuums leitend wird, indem freie Elektronen injiziert werden oder Ionen durch beide Feldelektronenemission oder Glühemission. Die thermionische Emission tritt auf, wenn die thermische Energie die Metall überschreitet Arbeitsfuntkion, während Feldelektronenemission tritt auf, wenn das elektrische Feld an der Oberfläche des Metalls hoch genug ist, um zu verursachen Tunneling, was zum Ausstoß von freien Elektronen aus dem Metall in das Vakuum führt. Extern erhitzte Elektroden werden häufig verwendet, um eine zu erzeugen Elektronen Wolke wie in der Filament oder indirekt erhitzte Kathode von Vakuumröhren. Kaltelektroden kann auch spontan spontan Elektronenwolken durch thermionische Emission produzieren Kathodenflecken oder Anodenflecken) sind geformt. Dies sind Glühlampen der Elektrodenoberfläche, die durch einen lokalisierten hohen Strom erzeugt werden. Diese Regionen können von initiiert werden von Feldelektronenemission, aber dann durch lokalisierte thermionische Emissionen einmal a erhalten a Vakuumbogen Formen. Diese kleinen Elektronen-emittierenden Regionen können sich auf einer Metalloberfläche, die einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt ist, ziemlich schnell, sogar explosionsartig bilden. Vakuumröhren und Sprytrons sind einige der elektronischen Schalt- und Verstärkungsgeräte basierend auf der Vakuumleitfähigkeit.

Supraleitung

Die Superkonditionivität ist ein Phänomen von genau Null elektrischer Wiederstand und Vertreibung von Magnetfelder in bestimmten Materialien auftreten, wenn abgekühlt unter einem Merkmal kritische Temperatur. Es wurde von entdeckt von Heike Kamerlingh Onnes am 8. April 1911 in Leiden. Wie Ferromagnetismus und atomare Spektrallinien, superkongressivität ist a Quantenmechanik Phänomen. Es ist durch die gekennzeichnet Meissner -Effekt, die vollständige Aussetzung von Magnetfeldlinien aus dem Inneren des Superkonferenzs, wenn er in den supraleitenden Zustand übergeht. Das Auftreten des Meissner -Effekts zeigt an, dass die Supraleitung nicht einfach als die Idealisierung von verstanden werden kann Perfekte Leitfähigkeit in klassische Physik.

Halbleiter

In einem Halbleiter Es ist manchmal nützlich, den Strom als auf den positiven Fluss zu betrachten. "Löcher"(Die mobilen positiven Ladungsträger, an denen der Halbleiterkristall ein Valenzelektron fehlt). Dies ist in einem P-Typ-Halbleiter der Fall. Ein Halbleiter hat elektrische Leitfähigkeit mittleres in der Größe zwischen dem von a Dirigent und ein Isolator. Dies bedeutet eine Leitfähigkeit ungefähr im Bereich von 10–2 bis 104 Siemens pro Zentimeter (Sëcm–1).

In den klassischen kristallinen Halbleitern können Elektronen nur in bestimmten Bändern (d. H. Bereiche des Energiemegelbereichs) Energien aufweisen. Energetisch befinden sich diese Bänder zwischen der Energie des Grundzustands, dem Zustand, in dem Elektronen eng an die Atomkerne des Materials gebunden sind Material. Die Energienbänder entsprechen jeweils vielen diskreten Quantenzustände der Elektronen und die meisten Zustände mit geringer Energie (näher am Kern) sind bis zu einer bestimmten Bande genannt Valenzband. Halbleiter und Isolatoren unterscheiden sich von Metalle Da das Valenzband in einem bestimmten Metall fast mit Elektronen unter den üblichen Betriebsbedingungen gefüllt ist, während nur sehr wenige (Halbleiter) oder praktisch keine (Isolator) von ihnen in der verfügbar sind Leitungsband, die Band unmittelbar über dem Valenzband.

Die Leichtigkeit der aufregenden Elektronen im Halbleiter des Valenzbandes bis zum Leitungsband hängt von der Bandabstand zwischen den Bändern. Die Größe dieser Energiebandlücke dient als willkürliche Trennlinie (ungefähr 4 ev) zwischen Halbleitern und Isolatoren.

Mit kovalenten Bindungen bewegt sich ein Elektron, indem er zu einer benachbarten Bindung hüpft. Das Pauli -Ausschlussprinzip erfordert, dass das Elektron in den höheren Anti-Bindungszustand dieser Bindung angehoben wird. Für delokalisierte Zustände zum Beispiel in einer Dimension - das ist in a NanodrahtFür jede Energie gibt es einen Zustand mit Elektronen in eine Richtung und einen anderen Zustand, wobei die Elektronen in der anderen fließen. Damit ein Nettostrom fließt, müssen mehr Zustände für eine Richtung als für die andere Richtung besetzt werden. Damit dies auftritt, ist Energie erforderlich, wie im Halbleiter liegen die nächsten höheren Zustände über der Bandlücke. Oft wird dies angegeben: Vollbänder tragen nicht zur elektrische Leitfähigkeit. Mit zunehmender Temperatur eines Halbleiters steigt jedoch die Temperatur Absoluter NullpunktEs gibt mehr Energie im Halbleiter, um für Gittervibrationen und für aufregende Elektronen in das Leitungsband auszugeben. Die aktuell tragenden Elektronen im Leitungsband sind als bekannt als freie Elektronen, obwohl sie oft einfach genannt werden Elektronen Wenn das im Kontext klar ist.

Aktuelle Dichte und Ohmsche Gesetz

Die Stromdichte ist die Rate, mit der die Ladung durch einen ausgewählten Einheitsbereich fließt.[22]: 31 Es ist definiert als a Vektor deren Größe ist der Strom pro Querschnittsbereich der Einheit.[2]: 749 Wie in ReferenzrichtungDie Richtung ist willkürlich. Wenn die beweglichen Gebühren positiv sind, hat die aktuelle Dichte das gleiche Zeichen wie die Geschwindigkeit der Gebühren. Bei negativen Ladungen ist das Vorzeichen der Stromdichte der Geschwindigkeit der Gebühren entgegengesetzt.[2]: 749 Im SI-Einheiten, Stromdichte (Symbol: J) wird in den SI -Basiseinheiten von Ampere pro Quadratmeter ausgedrückt.[4]: 22

In linearen Materialien wie Metallen und unter niedrigen Frequenzen ist die Stromdichte über die Leiteroberfläche gleichmäßig. Unter solchen Bedingungen, Ohm'sches Gesetz Gibt an, dass der Strom direkt proportional zur Potentialdifferenz zwischen zwei Enden (über das Metall) (ideal) ist Widerstand (oder andere Ohmic -Gerät):

wo ist der Strom, gemessen in Ampere; ist der Potenzieller unterschied, gemessen in Volt; und ist der Widerstand, gemessen in Ohm. Zum Wechselströme, besonders bei höheren Frequenzen, Hauteffekt veranlasst den Strom, sich ungleichmäßig über den Leiterquerschnitt zu verbreiten, wobei die höhere Dichte in der Nähe der Oberfläche erhöht wird, wodurch der scheinbare Widerstand erhöht wird.

Driftgeschwindigkeit

Die mobil geladenen Partikel in einem Leiter bewegen sich ständig in zufällige Richtungen, wie die Partikel von a Gas. (Genauer gesagt a Fermi -Gas.) Um einen Netto -Ladungsfluss zu erzeugen, müssen sich die Partikel auch mit einer durchschnittlichen Driftrate bewegen. Elektronen sind die Ladungsträger in den meisten Metalle und sie folgen einem unberechenbaren Weg, der vom Atom zu Atom abprallt, aber im Allgemeinen in die entgegengesetzte Richtung des elektrischen Feldes treibt. Die Geschwindigkeit, auf die sie driftet, kann aus der Gleichung berechnet werden:

wo
  • ist der elektrische Strom
  • ist die Anzahl der geladenen Partikel pro Volumeneinheit (oder Ladungsträgerdichte)
  • ist der Querschnittsbereich des Leiters
  • ist der Driftgeschwindigkeit, und
  • ist die Ladung für jedes Teilchen.

Typischerweise fließen elektrische Ladungen bei Festkörpern langsam. Zum Beispiel in a Kupfer Querschnittskabel 0,5 mm2mit einem Strom von 5 a, der, die Driftgeschwindigkeit der Elektronen befindet sich in der Größenordnung von Millimeter pro Sekunde. Ein anderes Beispiel im Nahvakuum in a Kathodenstrahlröhre, die Elektronen wandern in nahezu in Folge linie in etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit.

Jede beschleunigende elektrische Ladung und damit jeder sich ändernde elektrische Strom führt zu einer elektromagnetisch Welle, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit außerhalb der Oberfläche des Leiters ausbreitet. Diese Geschwindigkeit ist normalerweise ein erheblicher Teil der Lichtgeschwindigkeit, wie es abgeleitet werden kann Maxwells Gleichungenund ist daher um viele Male schneller als die Driftgeschwindigkeit der Elektronen. Zum Beispiel in WechselstromleitungenDie Wellen der elektromagnetischen Energie verbreiten sich durch den Raum zwischen den Drähten und bewegen sich von einer Quelle zu einem entfernten Belastungobwohl sich die Elektronen in den Drähten nur über eine winzige Entfernung hin und her bewegen.

Das Verhältnis der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle zur Lichtgeschwindigkeit im freien Raum wird als die genannt Geschwindigkeitsfaktorund hängt von den elektromagnetischen Eigenschaften des Leiters und den Isoliermaterialien ab, die ihn umgeben, und von ihrer Form und Größe.

Die Größen (nicht die Natur) dieser drei Geschwindigkeiten können durch eine Analogie zu den drei mit Gasen verbundenen ähnlichen Geschwindigkeiten veranschaulicht werden. (Siehe auch Hydraulische Analogie.))

  • Die niedrige Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger ist analog zur Luftbewegung; Mit anderen Worten, Winde.
  • Die hohe Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist ungefähr analog zur Schallgeschwindigkeit in einem Gas (Schallwellen bewegen Konvektion)
  • Die zufällige Bewegung der Ladungen ist analog zu Wärme - die thermische Geschwindigkeit von zufällig vibrierenden Gaspartikeln.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Der Pfeil ist ein grundlegender Bestandteil der Definition eines Stroms.[10]
  2. ^ Unser erster Schritt in der Analyse ist die Annahme von Referenzrichtungen für die unbekannten Ströme.[10]

Verweise

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