Current and Voltage

 Current and Voltage

An electric current is a time rate of movement of electric charge. The current may be a movement of positive charge, a movement of negative charge, or a combination of positive and negative charges moving in opposite directions. In metallic conductors the current is a movement of small negatively charged particles called electrons. In gases the current is a movement of negatively charged electrons in one direction and a drift of positively charged ions in opposite direction (an ion is a charged particle of matter). In salt solutions the currents is a movement of positive ions and negative ions in opposite directions. In semiconductors the current is a movement of electrons in one direction and a movement of positively charged hole in the opposite direction. 

Any material that allows the essentially free passage of current when connected to a battery or other source of electric energy is called a conductor. In metallic conductors, free electrons move randomly about the crystal structure of the material until a driving voltage, also called a voltage source or electromotive force (emf), is applied. Some common source of voltage are batteries, electromechanical generator, solar cells, and fuel cells. Figure 2.1a shows the random motion of free electrons when no voltage is applied. Figure 2.1b shows the effe

ct of a driving voltage; the free electrons are forced in the direction of the driving voltage. The direction of this electron movement is from negative (-) terminal of the drive, through the conductor, to the positive (+) terminal of the drive. The closed loop formed by the battery and the conductors is called an electric circuit.

.

The driver does not supply the electrons. The electrons are always present in the conductors as free electrons and are caused to move by the application of driving voltage. The negative terminal of the driving source repels the free electron,  and the positive terminal attracts them. As long as the circuit is closed, the electrons continue to circle around the loop; each time ana electron enters the positive terminal of the driver, another electron leaves the negative terminal for its journey around the loop. Thus the total number of free electrons in the conductor is always the same. This unidirectional movement of electrons, caused by application of a unidirectional generator or battery, is called direct current.

Although the actual direction of current is from the negative terminal of the driver to the positive terminal, to conform with conform with conventional practice and to avoid confusion with most other literature, the direction of current in all circuits throughout this text has been standardized as going from positive to negative. Using this conventional direction of current, instead of the actual direction of electron flow, will in no way effectthe solution of electric circuit problems.

 The conventional direction was established before the electron was discovered, and to attempt to change it now is to beat one’s head needlessly against a stone wall. Figure 2.1c contrast the conventional direction of current (+ to -)  with actual direction of electron movement.

The application of an alternating voltage to a conductor causes the electrons to flow first is one direction and then in the opposite direction, oscillating continuously about their central position. This repetitive back-andforth movement of electric charges constitutes an alternating current. Thus, any apparatus the generates a repetitive alternating driving voltage is called an alternating current (AC) generator. Figure 2.1d illustrates the alternations of current supplied by an AC generator, and figure 2.1e is a graph showing how the magnitude and direction of sinusoidally varying alternating current change with time.

Current is a flow rate, and is defined as the time rate of flow of electric charges past a specified point in a given direction. The unit of electric current is the ampere (A) and the unit of electric charge is the coulomb (C). One coulomb of electric charge is equivalent to the charge produced by 6.25 x 1018 electrons. Hence, a current of ane ampere is equivalent 6.25 x 1018 electrons passing a specified point in one second. Expressed mathematically,

i= dq/dt

Where i= current, ampere (A)

dq/dt= rate of flow of electric charge, coulomb per seconds (C/s)

dt= infinitesimally small period of time

dq= amount of charge in coulombs that passes a specified point during time dt

from book: Electric Circuits AC/DC An Integrated Approach / Charles I. Hubert