Arus Elektrik: Apakah itu?

Electrical4u

Medan: Elektrik Asas

China

Apakah Arus Elektrik?

Arus elektrik didefinisikan sebagai aliran partikel bermuatan—seperti elektron atau ion—yang bergerak melalui konduktor elektrik atau ruang. Ia adalah kadar alir muatan elektrik melalui medium penghantar dengan mengikut masa. Arus elektrik dinyatakan secara matematik (contohnya dalam formula) menggunakan simbol “I” atau “i”. Unit untuk arus adalah ampere atau amp. Ini diwakili oleh A.

Secara matematik, kadar alir muatan dengan mengikut masa boleh dinyatakan sebagai,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Dengan kata lain, aliran partikel bermuatan yang mengalir melalui konduktor elektrik atau ruang dikenali sebagai arus elektrik. Partikel bermuatan yang bergerak dipanggil pembawa muatan yang mungkin adalah elektron, lubang, ion, dll.

Aliran arus bergantung pada medium penghantar. Sebagai contoh:

Dalam konduktor, aliran arus disebabkan oleh elektron.
Dalam semikonduktor, aliran arus disebabkan oleh elektron atau lubang.
Dalam elektrolit, aliran arus disebabkan oleh ion dan
Dalam plasma—gas terionisasi, aliran arus disebabkan oleh ion dan elektron.

Apabila perbezaan potensial elektrik dikenakan antara dua titik dalam medium penghantar, arus elektrik akan mulai mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Semakin tinggi voltan atau perbezaan potensial, semakin banyak arus yang mengalir antara dua titik tersebut.

Jika dua titik dalam litar berada pada potensial yang sama, maka arus tidak dapat mengalir. Magnitud arus bergantung pada voltan atau perbezaan potensial antara dua titik. Oleh itu, kita boleh mengatakan arus adalah kesan voltan.

Arus elektrik boleh menghasilkan medan elektromagnetik, yang digunakan dalam induktor, transformator, penjana, dan motor. Dalam konduktor elektrik, arus menyebabkan pemanasan resistif pemanasan atau pemanasan joule yang menghasilkan cahaya dalam lampu pijar.

Arus elektrik yang berubah-ubah menghasilkan gelombang elektromagnetik, yang digunakan dalam telekomunikasi untuk penyiaran data.

AC vs DC Arus

Berdasarkan aliran muatan, arus elektrik diklasifikasikan menjadi dua jenis, iaitu arus bolak-balik (AC) dan arus terus (DC).

Arus AC

Aliran muatan elektrik dalam arah yang berbalik secara berkala dikenali sebagai arus bolak-balik (AC). AC juga dirujuk sebagai "Arus AC". Walaupun ini teknikalnya mengatakan perkara yang sama dua kali "Arus AC Arus".

Arus bolak-balik menukar arahnya pada selang-seli yang berterusan.

Arus bolak-balik bermula dari sifar, meningkat ke maksimum, berkurang ke sifar, kemudian berbalik dan mencapai maksimum dalam arah yang bertentangan, kemudian kembali ke nilai asal dan mengulangi siklus ini secara tidak terhingga.

Jenis gelombang arus bolak-balik mungkin sinusoidal, segitiga, segi empat, gergaji, dll.

Kepentingan bentuk gelombang tidak penting—selagi ia adalah gelombang yang berulang.

Namun begitu, dalam kebanyakan litar elektrik, bentuk gelombang biasa arus bolak-balik adalah gelombang sinus. Bentuk gelombang sinus biasa yang anda mungkin lihat sebagai arus bolak-balik ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Sebuah altrnator boleh menghasilkan arus ulang-ali. Altrnator adalah jenis khas janaan elektrik yang direka untuk menghasilkan arus ulang-ali.

Tenaga elektrik AC digunakan secara meluas dalam aplikasi industri dan perumahan.

Arus DC

Aliran cas elektrik hanya dalam satu hala dikenali sebagai arus terus (DC). DC juga dirujuk sebagai "Arus DC". Walaupun teknikalnya ini mengatakan perkara yang sama dua kali "Arus Terus Arus".

Kerana DC mengalir hanya dalam satu hala; oleh itu ia juga dirujuk sebagai arus unidirectional. Bentuk gelombang arus terus ditunjukkan dalam gambar di bawah.

DC boleh dijana oleh bateri, sel suria, sel bahan api, termokopel, janaan elektrik jenis komutator, dll. Arus ulang-ali boleh diubah menjadi arus terus dengan menggunakan penyearah.

Tenaga elektrik DC biasanya digunakan dalam aplikasi rendah voltan. Kebanyakan litar elektronik memerlukan bekalan tenaga DC.

Apa Unit Pengukuran Arus Elektrik (Unit Arus)?

Unit SI untuk arus adalah ampere atau amp. Ini diwakili oleh A. Ampere, atau amp adalah unit asas SI untuk arus elektrik. Unit ampere dinamakan sempena ahli fizik hebat Andrew Marie Ampere.

Dalam sistem SI, 1 ampere adalah aliran cas elektrik antara dua titik pada kadar satu coulomb setiap saat. Oleh itu,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Oleh itu arus juga diukur dalam coulomb per saat atau C/S.

Rumus Arus Elektrik

Rumus asas untuk arus adalah:

Hubungan antara Arus, Voltan, dan Rintangan (Hukum Ohm)
Hubungan antara Arus, Kuasa, dan Voltan
Hubungan antara Arus, Kuasa, dan Rintangan

Hubungan-hubungan ini diringkaskan dalam gambar di bawah.

Rumus Arus 1 (Hukum Ohm)

Menurut hukum Ohm,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Oleh itu,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Contoh

Seperti yang ditunjukkan dalam litar di bawah, voltan bekalan $24\,\,V$ dikenakan merentasi rintangan $12\,\,\Omega$ . Tentukan arus yang mengalir melalui resistor.

Penyelesaian:

Data Diberi: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Berdasarkan hukum Ohm,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Oleh itu, dengan menggunakan persamaan, kita mendapatkan arus yang mengalir melalui resistor adalah $2\,\,A$ .

Formula Arus 2 (Kuasa dan Voltan)

Kuasa yang dipindahkan adalah hasil darab voltan bekalan dan arus elektrik.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Oleh itu, kita mendapatkan arus sama dengan kuasa dibahagikan dengan voltan. Secara matematik,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Di mana $A$ mewakili amper atau amp (unit untuk arus elektrik).

Contoh

Seperti yang ditunjukkan dalam litar di bawah, voltan bekalan $24\,\,V$ dikenakan kepada lampu $48\,\,W$ . Tentukan arus yang diambil oleh lampu $48\,\,W$ .Penyelesaian:

Data Diberikan: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Berdasarkan formula,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Oleh itu, dengan menggunakan persamaan di atas, kita mendapatkan arus yang diambil oleh lampu $48\,\,W$ adalah sama dengan $2\,\,A$ .

Formula Arus 3 (Kuasa dan Rintangan, Rugi Ohmik, Pemanasan Resistif)

Kami tahu bahawa, $P = V * I$

Sekarang dengan menggantikan hukum Ohm $V = I * R$ ke dalam persamaan di atas, kita mendapatkan,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Oleh itu, arus adalah punca kuasa nisbah kuasa dan rintangan. Secara matematik, formula untuk ini adalah sama dengan:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Contoh

Seperti yang ditunjukkan dalam litar di bawah, tentukan arus yang diambil oleh $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampu

Penyelesaian:

Data yang Diberikan: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Berdasarkan hubungan antara arus, daya, dan rintangan seperti yang ditunjukkan di atas:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Oleh itu, menggunakan persamaan tersebut, kita mendapatkan arus yang digunakan oleh $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ lampu adalah $2.24\,\,A$ .

Dimensi Arus

Dimensi arus dalam hal jisim (M), panjang (L), masa (T), dan ampere (A) diberikan oleh $M^0L^0T^-^1Q$ .

Arus (I) merupakan perwakilan coulomb per saat. Oleh itu,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Arus Konvensional vs Aliran Elektron

Terdapat sedikit kesalahpahaman mengenai aliran arus konvensional dan aliran elektron. Mari kita cuba memahami perbezaan antara keduanya.

Zarah yang membawa cas elektrik melalui konduktor adalah elektron bebas atau mudah bergerak. Arah medan elektrik dalam litar, oleh definisi, adalah hukum yang mendorong muatan ujian positif. Oleh itu, zarah-zarah bercas negatif, iaitu elektron, mengalir ke arah yang bertentangan dengan medan elektrik.

Mengikut teori elektron, apabila voltan atau perbezaan potensial dikenakan pada konduktor, zarah-zarah bercas mengalir melalui litar, yang membentuk arus elektrik.

Zarah-zarah bercas ini mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah, iaitu dari terminal positif bateri ke terminal negatif bateri melalui litar luar.

Namun, dalam konduktor logam, zarah-zarah bercas positif dipegang pada kedudukan tetap, manakala zarah-zarah bercas negatif, iaitu elektron, bebas untuk bergerak. Dalam semikonduktor, aliran zarah bercas boleh positif atau negatif.

Aliran penghantar cas positif dan aliran penghantar cas negatif dalam arah yang bertentangan mempunyai kesan yang sama dalam litar elektrik. Kerana aliran arus disebabkan oleh muatan positif atau negatif, atau kedua-duanya, suatu konvensyen diperlukan untuk arah arus yang bebas daripada jenis penghantar cas.

Arah arus konvensional dianggap sebagai arah di mana penghantar cas positif mengalir, iaitu dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Oleh itu, penghantar cas negatif, iaitu elektron, mengalir ke arah yang bertentangan dengan arus konvensional, iaitu dari potensial yang lebih rendah ke potensial yang lebih tinggi. Jadi, arus konvensional dan aliran elektron bergerak dalam arah yang bertentangan, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.

arah arus konvensional dan aliran elektron — Arah Arus Konvensional dan Aliran Elektron

Arus Konvensional: Aliran pembawa muatan positif dari terminal positif ke terminal negatif bateri dikenali sebagai arus konvensional.
Aliran Elektron: Aliran elektron disebut aliran elektron. Aliran pembawa muatan negatif – iaitu, elektron – dari terminal negatif ke terminal positif bateri dikenali sebagai aliran elektron. Aliran elektron adalah bertentangan dengan aliran arus konvensional.

Arah aliran arus konvensional dan aliran elektron ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Arus Konveksi vs Aliran Konduksi

Arus Konveksi

Arus konveksi merujuk kepada aliran arus melalui medium pengasingan seperti cecair, gas, atau vakum.

Arus konveksi tidak memerlukan konduktor untuk mengalir; oleh itu ia tidak memenuhi Hukum Ohm. Contoh arus konveksi adalah tiub vakum di mana elektron yang dikeluarkan oleh katod mengalir ke anod dalam vakum.

Arus Konduksi

Arus yang mengalir melalui sebarang konduktor dikenali sebagai arus konduksi. Arus konduksi memerlukan konduktor untuk mengalir; oleh itu ia memenuhi Hukum Ohm.

Arus Penempatan

Pertimbangkan resistor dan kapasitor yang disambungkan secara selari dengan sumber voltan V seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Sifat aliran arus melalui kapasitor berbeza daripada aliran arus melalui resistor.

Voltan atau beza potensial merentasi resistor menghasilkan aliran arus yang berterusan yang diberikan oleh persamaan,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Arus ini dipanggil sebagai “arus konduksi.”

Sekarang arus mengalir melalui kapasitor hanya apabila voltan di seberang kapasitor berubah, yang diberikan oleh persamaan,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Arus ini dipanggil sebagai “arus perpindahan.”

Secara fizikal, arus perpindahan bukanlah arus kerana tiada aliran kuantiti fizikal seperti aliran muatan.

Cara Mengukur Arus

Dalam litar elektrik dan elektronik, pengukuran arus adalah parameter penting yang perlu diukur.

Alat yang boleh mengukur arus elektrik dipanggil ammeter. Untuk mengukur arus, ammeter mesti disambungkan secara siri dengan litar yang arusnya hendak diukur.

Pengukuran arus melalui resistor menggunakan ammeter ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Arus elektrik juga boleh diukur menggunakan galvanometer. Galvanometer memberikan kedua-dua arah dan magnitud arus elektrik.

Arus boleh diukur dengan mendeteksi medan magnet yang berkaitan dengan arus tanpa memutuskan litar. Terdapat pelbagai instrumen yang digunakan untuk mengukur arus tanpa memutuskan litar.

Soalan Biasa Tentang Arus

Mari kita pelajari beberapa soalan biasa yang berkaitan dengan arus elektrik.

Apa yang Menggunakan Elektromagnet untuk Mengukur Arus Elektrik?

Galvanometer adalah instrumen pengukuran yang menggunakan elektromagnet untuk mengukur arus elektrik.

Galvanometer adalah instrumen mutlak; ia mengukur arus elektrik dalam sebutan tangen sudut defleksi.

Galvanometer boleh mengukur arus elektrik secara langsung, tetapi ini melibatkan pemutusan litar; oleh itu, kadang-kadang tidak mudah.

Bagaimana Arus Elektrik Menghasilkan Daya Magnet?

Konduktor yang membawa arus ditempatkan dalam medan magnet akan mengalami daya kerana arus hanyalah aliran muatan.

Pertimbangkan konduktor yang membawa arus dengan arus mengalir melaluinya, seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah (a). Menurut peraturan tangan kanan Fleming; arus ini akan menghasilkan medan magnet dalam arah berlawanan jam.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

Daya Magnet yang Dihasilkan oleh Arus Elektrik

Hasil dari medan magnet konduktor adalah ia akan mendorong medan magnet di atas konduktor dan melemahkan di bawahnya.

Garis-garis medan seperti pita karet yang diregangkan; oleh itu, mereka akan mendorong konduktor ke arah bawah, iaitu daya adalah ke bawah, seperti ditunjukkan dalam gambar (b).

Contoh ini menyatakan bahawa penghantar arus elektrik dalam medan magnet mengalami daya. Persamaan berikut menentukan magnitud daya magnet pada penghantar arus elektrik.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Untuk Membuat Arus Elektrik Mengalir, Diperlukan

Untuk membuat arus elektrik mengalir, diperlukan yang berikut:

Perbezaan potensial yang wujud antara dua titik. Jika kedua-dua titik dalam litar berada pada tahap potensial yang sama, arus tidak dapat mengalir.
Sumber voltan atau sumber arus, seperti bateri atau sel yang memaksa elektron bebas yang membentuk arus elektrik.
Penghantar atau wayar yang membawa muatan elektrik.
Litar mesti tertutup atau lengkap. Jika litar terbuka, arus tidak dapat mengalir.

Ini adalah keadaan yang diperlukan untuk membuat arus elektrik mengalir. Gambar di bawah menunjukkan arus yang melewati litar tertutup.

Apakah yang Paling Menjelaskan Perbezaan Antara Arus Elektrik dan Elektrik Statis

Perbezaan utama antara arus elektrik dan elektrik statis adalah bahawa elektron atau muatan mengalir melalui penghantar dalam arus elektrik.

Manakala, dalam elektrik statis, muatan berada dalam keadaan rehat dan berkumpul di permukaan bahan tersebut.

Arus elektrik disebabkan oleh aliran elektron, manakala elektrik statis disebabkan oleh muatan negatif dari satu objek ke objek lain.

Arus elektrik hanya dihasilkan dalam penghantar, manakala elektrik statis dihasilkan baik dalam penghantar mahupun pemisah.

Bagaimana Arus Elektrik Mempengaruhi Kutub Magnet?

Kita tahu bahawa apabila arus elektrik mengalir, iaitu muatan elektrik bergerak, ia menghasilkan medan magnet. Jika kita letakkan magnet dalam medan magnet, ia mengalami daya.

Untuk cas elektrik, iaitu arus elektrik, kutub magnet yang sama saling menarik dan kutub magnet yang berlawanan saling tolak. Jadi, kita boleh katakan bahawa arus elektrik mempengaruhi kutub magnet melalui medan magnet.