Elektrivool ja voolutugevus

Elektriväli paneb vabad laengukandjad liikuma ka erinevates keskkondades – metallides liiguvad suunatult vabad väliskihi elektronid (juhtivuselektronid), elektrolüütide lahuses või sulatatud soolades liiguvad ioonid. Õhu elektrijuhtivus on palju väiksem kui metallides või elektrolüütide lahustes, sest vabu laengukandjaid (ioone) on seal vähe. Ioonide arv õhus suureneb tugeva kiirguse või elektrivälja toimel ning siis kasvab ka õhu elektrijuhtivus.

Elektriväli levib keskkondades ligikaudu valguse kiirusega ja nii hakkavad selle toimel kõik vabad laetud osakesed suunatult liikuma ühekorraga ja tekib elektrivool. Uurime, kuidas tekib elektrivool vaskjuhtmes.

Joonisel 1.17a on skemaatiliselt kujutatud vaskjuhtme lõik. Kui juhtmes puudub elektriväli, liiguvad siniselt tähistatud elektronid kaootiliselt. Kui ühendame juhtme vooluallikaga, mõjub elektronidele elektrijõud ja nad hakkavad suunatult liikuma.

Joonis 1.17. Elektronide liikumine vaskjuhtmes.

Elektroni kujuteldav trajektoor on esitatud joonisel 17b. Kuigi elektroni hetkkiirus on väga suur – suurusjärgus $10^{6} \frac{m}{s}$ –, siis osakestevaheliste vastastikmõjude tõttu on triivimise kiirus liikumisel punktist A punkti B väga väike – suurusjärgus üks millimeeter sekundis.

Elektrilaengu suunatud liikumist iseloomustab voolutugevus. Voolutugevuse tähis on $I$ ja ühikuks $1$ amper, mida tähistame $1 A$ .

$1$ -amprine elektrivool on keskmise tugevusega. Elektrirongi jaoks on see väike väärtus, elusorganismidele aga tappev. Töötavas elektriseadmes, näiteks elektrirongi mootoris on voolutugevus mitusada amprit, veekeetja küttekehas suurusjärgus $10 A$ ja väikestes elektripirnides $1 m A$ – $0, 1 A$ . Inimesele on eluohtlikud juba voolutugevused alates $0, 1 A$ . Ka väiksemad voolutugevused võivad olla ohtlikud, eriti kui vool läbib inimest pikema aja vältel.

Anname voolutugevuse ühikule füüsikalise tähenduse. Kujutleme juhtme lõiku, kuhu mahub parasjagu nii palju juhtivuselektrone, et nende laeng on võrdne $1$ kuloniga (roheliste joontega tähistatud lõik joonisel 1.18).

Joonis 1.18. Defineerime voolutugevuse ühiku.

Kui laeng $q = 1 C$ läbib $1$ sekundi jooksul tähega $P$ tähistatud juhtme ristlõiget, on voolutugevus võrdne $1$ ampriga. Kui laeng läbib nimetatud ristlõiget $10$ sekundi jooksul, on voolutugevus $10$ korda väiksem ehk $I = 0, 1 A$ .

Valemina

I = \frac{q}{t}

Voolutugevus näitab, kui suur laeng läbib juhi ristlõiget ajaühikus.

Kokkuleppeline voolu suund on vastupidine juhtivuselektronide triivimissuunale ja ühtib elektrivälja vektori suunaga ehk selle suunaga, kuhu liigub positiivne laeng.

Kui kiiresti triivivad elektronid vaskjuhtmes, mis on ühendatud LED-lambiga? Vaskjuhtmes on vabade laengukandjate kontsentratsioon

n = 8 \cdot 10^{28} m^{- 3}

, juhtme läbimõõt

0, 5 m m

, elektroni laeng on võrdne elementaarlaenguga ja voolutugevuseks mõõdeti

0, 01 A

.

Lahendus

Kui uurida voolutugevust mikrotasandil, siis voolutugevuse määravad a) vabade laengukandjate arv ruumalaühiku kohta ehk kontsentratsioon n, b) laetud osakese laeng $q$ , c) laetud osakeste triivkiirus $v$ ja d) juhi ristlõike pindala $S$ .

Kuna voolutugevus sõltub kõigist neist suurustest võrdeliselt, saame kokku valemi

I = n q v S

Leiame ristlõikepindala $S = π r^{2}$ :

S = 3, 14 \cdot 0, 252 m m^{2} = 0, 2 m m^{2} = 0, 2 \cdot 10^{- 6} m^{2}

Valemist

I = v n q S

avaldub laengukandjate liikumise kiirus kujul

v = \frac{I}{n q S}

Arvutades saame

v = \frac{1 \cdot 10^{- 2} \frac{C}{s}}{8 \cdot 10^{28} m^{- 3} \cdot 0, 2 \cdot 10^{- 6} C \cdot 1, 6 \cdot 10^{- 19} m^{2}} = 4 \cdot 10^{- 6} \frac{m}{s} = 4 \cdot 10^{- 3} \frac{m m}{s} - ---------- - - ---------- -

Leitud kiirus on üsna väike, sest LED-lampi läbib üldiselt üsna väike vool.

Kui me suudaks ära märkida elektroni, mis lahkub negatiivselt klemmilt ja triivib LED-lambi klemmi suunas, ja kui juhe oleks u $10 c m$ pikk, peaksime ootama $41$ minutit, enne kui märgitud elektron LEDi klemmile jõuab.

Katse elektrivoolu visualiseerimiseks

Joonis 1.19. Elektrivoolu visualiseeriv katse.

Kuidas oleks võimalik laetud osakeste liikumist kaudselt jälgida? Selleks peame laengukandjatena kasutama ainet, mis on intensiivse värvusega ja ka väikese kontsentratsiooni korral hästi nähtav.

Kasutame katses kaaliumpermanganaati ( $K M n O_{4}$ ). Katseks läheb vaja ka Petri tassi või klaasplaati, filterpaberit, krokodillidega juhtmeid, kõrgema pingega alalisvooluallikat ja ammoniaagi vesilahust. Kaaliumpermanganaadi lahustumisel tekkivate $M n O_{4}$ – ioonide liikumise jälgimiseks piisab ligikaudu $100 V$ pingest. Võimalusel ühendage juhtmed vasest klemmidega, mille kuju on võimalik muuta.

Kõigepealt tehakse paber ammoniaagi lahusega märjaks, paberiga kaetud plaat ühendatakse krokodillide abil vooluallikaga, nagu on näha joonisel 1.19. Seejärel asetatakse paberile pintsettidega üks kaaliumpermanganaadi kristall.

Kui vooluring on ühendatud, hakkavad ioonid liikuma. Kui kiiresti värvilaik liigub ja mis suunas? Kuna värvust põhjustab permanganaadi anioon, siis liikumine toimub pluss-klemmi suunas. Milline on pilt siis, kui lisada kaaliumpermanganaadi kristalle mitmesse kohta või suurendada pinget?

Ülesanded

Kui saame särtsu, siis laeng väärtusega

10 μ C

liigub läbi õhu

0, 1

millisekundiga. Kui suur on voolutugevus sädemekanalis?

LED-lambis mõõdeti voolutugevuseks

0, 1 A

. Mitu elektroni läbib lambiklemmi ühes sekundis?

Lisaülesanne. Tuleta valem

I = n v e S

valemist

I = \frac{Q}{t}

, kasutades seoseid

Q = N e

,

c = \frac{N}{V}

,

v = \frac{l}{t}

,

l = \frac{V}{S}

, kus

N

on laengukandjate arv,

Q

kogulaeng,

e

elektroni laeng,

n

kontsentratsioon,

v

triivkiirus,

l

juhtmepikkus,

V

juhtme ruumala,

S

juhtme ristlõikepindala,

t

aeg.