Halaman rumah
Fisik
Konduksi dan Contoh Listrik Kepadatan Saat Ini

Fisik

Konduksi dan Contoh Listrik Kepadatan Saat Ini

1036
167
Irvin Reichel

Itu disebut kepadatan arus dengan jumlah arus per unit area melalui pengemudi. Ini adalah besarnya vektor, dan modulnya diberikan oleh hasil bagi antara arus instan dan yang melintasi penampang pengemudi dan area S yang sama, sehingga:

$J=\fracIS$ Arah vektor kepadatan arus adalah vektor unit normal ke penampang N, dan akhirnya arahnya sama dengan arus, yang oleh konvensi diambil sebagai yang akan dimiliki oleh pembawa beban positif.

Dengan cara ini, unit dalam sistem internasional untuk vektor kepadatan saat ini adalah amp per meter persegi: a/m². Secara vektor kepadatan saat ini adalah:

$\vecJ=\fracIA\hatn$ Pada gambar di bawah ini, vektor kepadatan arus yang besarnya dalam hal ini adalah J (y, z), yaitu fungsi koordinat J, Dan, Dan z. S adalah area silang -seatan yang diilustrasikan persegi tetapi dapat memiliki bentuk lain, biasanya melingkar.

Vektor kepadatan saat ini. Sumber: Wikimedia Commons.

Kepadatan arus dan intensitas arus terkait, meskipun yang pertama adalah vektor dan yang kedua tidak. Arus bukanlah vektor meskipun memiliki besarnya dan makna, karena memiliki arah preferensial di ruang angkasa tidak diperlukan untuk membangun konsep.

Namun, medan listrik yang didirikan di dalam pengemudi adalah vektor, dan terkait dengan arus. Secara intuitif dipahami bahwa bidang ini lebih intens ketika arus juga lebih intens, tetapi penampang pengemudi juga memainkan peran penentu dalam aspek ini.

[TOC]

Model Mengemudi Listrik

Dalam sepotong kawat konduktif netral seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dengan cara silindris, pembawa beban bergerak secara acak ke segala arah. Di dalam pengemudi, sesuai dengan jenis zat yang dibuatnya, akan ada N memuat operator per unit volume. N ini tidak boleh bingung dengan vektor normal tegak lurus terhadap permukaan konduktif.

Sepotong konduktor silindris menunjukkan di dalam operator saat ini yang bergerak ke arah yang berbeda. Sumber: Made sendiri.

Model material perilaku yang diusulkan terdiri dari jaringan ionik tetap dan gas elektron, yang merupakan pembawa saat ini, bahkan jika mereka diwakili di sini dengan tanda +, karena ini adalah konvensi untuk arus.

Apa yang terjadi saat pengemudi terhubung ke baterai?

Kemudian perbedaan potensial antara ujung pengemudi ditetapkan, berkat sumber yang bertanggung jawab untuk melakukan pekerjaan: baterai.

Dapat melayani Anda: benda selestial

Sirkuit sederhana menunjukkan baterai yang oleh kabel driver menyala di bohlam. Sumber: Made sendiri.

Berkat perbedaan potensial ini, operator saat ini mempercepat dan berbaris dengan cara yang lebih tertib daripada saat materi itu netral. Dengan cara ini Anda dapat menyalakan umbi sirkuit yang ditampilkan.

Dalam hal ini, medan listrik telah dibuat di dalam pengemudi yang mempercepat elektron. Tentu saja, jalur ini tidak gratis: meskipun elektron memiliki akselerasi, karena mereka bertabrakan dengan jaringan kristal yang mereka tilah dengan energi mereka dan bubar sepanjang waktu. Hasil global adalah mereka bergerak sedikit lebih banyak dalam materi, tetapi tentu saja kemajuan mereka sangat sedikit.

Saat mereka bertabrakan dengan jaringan kristal mereka membuatnya bergetar, menghasilkan pemanas pengemudi. Ini adalah efek yang mudah diperhatikan: kabel konduktif dipanaskan saat dilintasi oleh arus listrik.

**Kecepatan tarik v_Ddan kepadatan saat ini**

Pembawa saat ini sekarang memiliki gerakan global dalam arah yang sama dengan medan listrik. Kecepatan global yang mereka miliki dipanggil kecepatan seret salah satu Kecepatan melayang Dan itu dilambangkan sebagai v_D.

Setelah perbedaan potensial ditetapkan, operator saat ini memiliki gerakan yang lebih tertib. Sumber: Made sendiri.

Itu dapat dihitung dengan beberapa pertimbangan sederhana: jarak yang ditempuh di dalam pengemudi untuk setiap partikel, dalam interval waktu Dt adalah v_D . Dt. Seperti yang dikatakan sebelumnya, ada N Partikel per unit volume, volume menjadi produk dari luas penampang A oleh jarak yang ditempuh:

V = a.v_D Dt

Jika setiap partikel memiliki beban q, berapa banyak beban DQ melewati area tersebut KE Dlm suatu waktu Dt?:

dq = q.N. KE.v_D Dt

$\fracdQdt=q.n.A.v_d$

Arus instan hanya dq/dt, oleh karena itu:

Dan membagi antara A diperoleh dengan vektor kepadatan saat ini J:

J = q.N.v_D

Saat bebannya positif, v_D berada di arah yang sama seperti DAN Dan J. Jika bebannya negatif, v_D berlawanan dengan lapangan DAN, Tetapi J Dan DAN Mereka terus memiliki alamat yang sama. Di sisi lain, bahkan jika arus sama di seluruh sirkuit, kepadatan arus tidak selalu tetap tidak berubah. Misalnya, lebih rendah di baterai, yang area penampangnya lebih besar daripada di kabel mengemudi, lebih tipis.

Konduktivitas suatu bahan

Dapat dianggap bahwa pembawa beban bergerak di dalam pengemudi dan terus bertabrakan dengan jaringan kristal, menghadapi kekuatan yang menentang kemajuan mereka, semacam gesekan atau kekuatan disipatif f_D yang sebanding dengan kecepatan rata -rata yang mereka bawa, yaitu kecepatan seret:

Dapat melayani Anda: kelebihan dan kekurangan gesekan

F_D ∝ v

F_D = α. v_D

Ini adalah model drude-lorentz, yang dibuat pada awal abad ke-20 untuk menjelaskan pergerakan pembawa saat ini di dalam pengemudi. Tidak memperhitungkan efek kuantum. α adalah konstanta proporsionalitas, yang nilainya sesuai dengan karakteristik material.

Jika kecepatan tarik konstan, jumlah gaya yang bekerja pada pembawa saat ini adalah nol. Gaya lainnya adalah yang dilakukan oleh medan listrik, yang besarnya Fe = q.DAN:

qe - α. v_D = 0

Kecepatan seret dapat dinyatakan dalam kepadatan saat ini, jika dibersihkan dengan mudah:

$q.E-\alpha \fracJnq=0$ Karena itu:

Darimana:

J = nq²E/α

Konstanta N, Q dan α dikelompokkan ke dalam satu panggilan σ, sehingga akhirnya diperoleh:

J = σDAN

Hukum Ohm

Kepadatan saat ini berbanding lurus dengan medan listrik yang ditetapkan di dalam pengemudi. Untuk hasil ini dikenal sebagai Hukum Ohm dalam bentuk mikroskopis atau hukum Ohm lokal.

Nilai σ = n.Q² / α adalah konstanta yang tergantung pada materi. Ini tentang konduktivitas listrik atau sekadar konduktivitas. Nilai -nilainya ditabulasi untuk banyak bahan dan unitnya dalam sistem internasional adalah ampli/volt x meter (a/v.m), meskipun ada unit lain, misalnya S/M (Siemens per meter).

Tidak semua bahan mematuhi hukum ini. Mereka yang melakukannya dikenal sebagai Bahan ohmic.

Dalam zat dengan konduktivitas tinggi, mudah untuk membangun medan listrik, sedangkan di yang lain dengan konduktivitas rendah biaya lebih banyak pekerjaan. Contoh bahan dengan konduktivitas tinggi adalah: graphene, perak, tembaga dan emas.

Contoh aplikasi

-Contoh 1

Temukan kecepatan seret elektron bebas dalam kabel tembaga dari penampang 2 mm² Saat arus 3 untuk melewatinya. Tembaga memiliki 1 elektron mengemudi per atom.

Fakta: Nomor Avogadro = 6.023 10²³ partikel oleh mol; beban elektron -1.6 x 10^-19 C; Kepadatan tembaga 8960 kg/m³; Berat Molekul Tembaga: 63,55 g/mol.

Larutan

Dari J = q.N.v_D Besarnya kecepatan drag dibersihkan: $\vecv_d=\frac\vecJnq$ $v_d=\fracIn.q.A$

$v_d=\fracJn.q$ Untuk memfasilitasi perhitungan, nilai N, yang merupakan jumlah pembawa beban per unit volume, maka besarnya J ditentukan dan akhirnya semuanya diganti dalam ekspresi sebelumnya:

Dapat melayani Anda: variabel kategori: karakteristik dan contoh

Bagaimana lampu menyala secara instan?

Kecepatan ini secara mengejutkan. Mungkin perlu elektron selama hampir satu jam untuk beralih dari baterai mobil ke lampu mercusuar misalnya.

Untungnya Anda tidak perlu menunggu begitu lama untuk menyalakan lampu. Elektron pada baterai dengan cepat mendorong orang lain di dalam pengemudi, dan dengan demikian medan listrik ditetapkan dengan sangat cepat karena merupakan gelombang elektromagnetik. Itu adalah gangguan yang menyebar di dalam kawat.

Elektron berhasil melompat pada kecepatan cahaya atom ke yang berdekatan dan arus mulai mengalir dengan cara yang sama seperti air melakukannya melalui selang. Tetes di awal selang tidak sama dengan di pintu keluar, tetapi juga air.

-Contoh 2

Gambar tersebut menunjukkan dua kabel yang terhubung, terbuat dari bahan yang sama. Arus yang masuk dari kiri ke bagian yang lebih tipis adalah 2 ke. Di sana kecepatan tarik elektron 8.2 x 10^-4 MS. Dengan asumsi bahwa nilai arus tetap konstan, menemukan kecepatan hambatan elektron di bagian kanan, dalam m/s.

Larutan

Di bagian yang lebih tipis: J₁ = n.Q. v_D1 = I/a₁

Dan di bagian paling tebal: J₂ = n.Q. v_D2 = I/a₂

Arusnya sama untuk kedua bagian, dan juga N Dan Q, Karena itu:

Kecepatan seret lebih rendah di bagian yang lebih luas, yang diharapkan.