SROVĖS TANKIS: ELEKTROS LAIDUMAS IR PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Jis vadinamas srovės tankiu pagal srovės kiekį ploto vienete per laidininką. Tai yra vektoriaus kiekis, o jo modulis yra apskaičiuojamas iš momentinės srovės I, einančios per laidininko skerspjūvį, ir jo ploto S, santykio:

Taip sakant, srovės tankio vektoriaus tarptautinėje sistemoje vienetai yra amperai kvadratiniam metrui: A / m ² . Vektoriaus pavidalu dabartinis tankis yra:

Dabartinis tankio vektorius. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Srovės tankis ir srovės intensyvumas yra susiję, nors pirmasis yra vektorius, o antrasis nėra. Nepaisant jos dydžio ir prasmės, srovė nėra vektorius, nes norint nustatyti koncepciją nebūtina turėti prioritetinę kryptį erdvėje.

Tačiau laidininko viduje nustatytas elektrinis laukas yra vektorius, ir jis yra susijęs su srove. Intuityviai suprantama, kad laukas yra stipresnis, kai ir srovė yra stipresnė, tačiau lemiamą vaidmenį šiuo atžvilgiu vaidina ir laidininko skerspjūvio plotas.

Elektros laidumo modelis

Neutralios laidžios vielos gabale, kaip parodyta 3 paveiksle, cilindro formos, įkrovos laikikliai juda atsitiktine tvarka bet kuria kryptimi. Laidininko viduje, atsižvelgiant į medžiagos, su kuria ji pagaminta, tūrį, bus n nešiklio. Tai n neturėtų būti painiojama su normaliu vektoriumi, statmenu laidžiam paviršiui.

Cilindrinio laidininko gabalas rodo srovės laikiklius, judančius skirtingomis kryptimis. Šaltinis: pačių sukurtas.

Siūlomą laidžios medžiagos modelį sudaro fiksuota joninė gardelė ir elektronų dujos, kurios yra srovės nešėjai, nors čia jie žymimi + ženklu, nes tai yra įprastinė srovė.

Kas nutinka, kai laidininkas prijungiamas prie akumuliatoriaus?

Tada šaltinio, atsakingo už darbų atlikimą, dėka akumuliatoriaus, tarp laidininko galų nustatomas galimas skirtumas.

Paprasta grandinė parodo akumuliatorių, kuris laidžiais laidais uždega lemputę. Šaltinis: pačių sukurtas.

Dėl šio galimo skirtumo dabartiniai nešikliai įsibėgėja ir žygiuoja tvarkingiau, nei tada, kai medžiaga buvo neutrali. Tokiu būdu jis sugeba įjungti parodytos grandinės lemputę.

Šiuo atveju laidininko viduje yra sukurtas elektrinis laukas, kuris pagreitina elektronus. Žinoma, jų kelias nėra laisvas: nors elektronai turi pagreitį, nes susiduria su kristaline gardelė, jie atiduoda dalį savo energijos ir visą laiką išsisklaido. Bendras rezultatas yra tas, kad jie šiek tiek tvarkingai juda medžiagoje, tačiau jų progresas tikrai yra labai menkas.

Susidūrę su kristaline grotelėmis, jie pradeda vibruoti, todėl laidininkas įkaista. Tai lengvai pastebimas poveikis: laidūs laidai įkaista, kai juos praleidžia elektros srovė.

Tikrinimo greitis

Dabartiniai nešikliai dabar juda visuotine kryptimi ta pačia kryptimi kaip ir elektrinis laukas. Kad pasaulinė greičio jie yra vadinamas Drag greitis arba dreifo greitis ir simbolizuoja, kaip prieš _d .

Nustačius potencialų skirtumą, dabartiniai vežėjai juda tvarkingiau. Šaltinis: pačių sukurtas.

Tai galima apskaičiuoti remiantis keletu paprastų argumentų: atstumas, kurį kiekviena dalelė pravažiavo laidininko viduje, laiko intervale dt yra v _d . dt. Kaip minėta anksčiau, tūrio vienete nėra n dalelių, kurių tūris yra A skerspjūvio ir nuvažiuoto atstumo sandauga:

Jei kiekviena dalelė turi krūvį q, koks krūvio kiekis dQ praeina per A plotą laiko intervale dt:

Momentinė srovė yra tik dQ / dt, todėl:

Kai mokestis yra teigiamas, prieš _r yra ta pačia kryptimi, kaip E ir J . Jei krūvis būtų neigiamas, v _d yra priešais lauką E , tačiau J ir E vis tiek ta pačia kryptimi. Kita vertus, nors srovė visoje grandinėje yra vienoda, srovės tankis nebūtinai išlieka nepakitęs. Pvz., Jis yra mažesnis akumuliatoriuje, kurio skerspjūvio plotas yra didesnis nei plonesnių laidininkų laiduose.

Medžiagos laidumas

Galima manyti, kad krūvininkai, judantys laidininko viduje ir nuolat susiduriantys su kristaline grotelėmis, susiduria su jėga, priešinga jų judėjimui, tam tikra trinties ar išsklaidymo jėga F _d , proporcinga vidutiniam greičiui, kuris nešti, tai yra tempimo greitį:

F _d ∝ v

F _d = α. v _d

Tai yra Drude-Lorentz modelis, sukurtas XX amžiaus pradžioje, siekiant paaiškinti dabartinių nešiklių judėjimą laidininko viduje. Neatsižvelgiama į kvantinį poveikį. α yra proporcingumo konstanta, kurios vertė atitinka medžiagos savybes.

Jei tempimo greitis yra pastovus, srovės nešikliui veikiančių jėgų suma yra lygi nuliui. Kita jėga yra elektrinio lauko veikiama jėga, kurios dydis yra Fe = qE:

Priėmimo greitis gali būti išreikštas srovės tankiu, jei jis tinkamai išspręstas:

Iš kur:

Konstantos n, q ir α yra sugrupuotos į vieną skambutį σ, kad galiausiai gautume:

Ohmo įstatymas

Srovės tankis yra tiesiogiai proporcingas laidininko viduje esančiam elektriniam laukui. Šis rezultatas mikroskopine forma yra žinomas kaip Ohmo dėsnis arba vietinis Ohmo dėsnis.

Σ = nq ² / α reikšmė yra konstanta, priklausanti nuo medžiagos. Kalbama apie elektros laidumą ar tiesiog laidumą. Jų vertės pateikiamos lentelėse pagal daugelį medžiagų, o jų vienetai tarptautinėje sistemoje yra amperai / voltas x metras (A / Vm), nors yra ir kitų vienetų, pavyzdžiui, S / m (siemens vienam metrui).

Ne visos medžiagos atitinka šį įstatymą. Tos, kurios yra žinomos kaip omiškos medžiagos.

Aukštos laidumo medžiagoje lengva nustatyti elektrinį lauką, o kitoje, kurios laidumas yra mažas, reikia daugiau darbo. Didelio laidumo medžiagų pavyzdžiai yra: grafenas, sidabras, varis ir auksas.

Taikymo pavyzdžiai

-Išspręstas 1 pavyzdys

Raskite laisvųjų elektronų įtraukimo greitį varinės vielos skerspjūvio plote 2 mm ^2, kai pro ją praeina 3 A. Varis turi po 1 laidumo elektroną kiekvienam atomui.

Duomenys: Avogadro skaičius = 6,023 10 ²³ dalelės molyje; elektronų krūvis -1,6 x 10 ^-19 C; vario tankis 8960 kg / m ³ ; vario molekulinė masė: 63,55 g / mol.

Sprendimas

Nuo J = qnv _d pasipriešinimo greičio dydis išvalomas:

Kodėl žibintai užsidega akimirksniu?

Šis greitis yra stebėtinai mažas, tačiau jūs turite atsiminti, kad krovinių vežėjai nuolat susiduria ir šokinėja vairuotojo viduje, todėl nesitikima, kad jie važiuos per greitai. Pavyzdžiui, nuo automobilio akumuliatoriaus iki žibinto lemputės gali prireikti beveik valandos elektrono.

Laimei, jums nereikia ilgai laukti, kad įjungtumėte šviesas. Vienas akumuliatoriuje esantis elektronas greitai stumia kitus laidininko viduje, taigi elektrinis laukas nustatomas labai greitai, nes tai yra elektromagnetinė banga. Tai yra trikdžiai, kurie plinta laido viduje.

Elektronai sugeba šokinėti šviesos greičiu iš vieno atomo į šalia esantį ir srovė pradeda tekėti taip pat, kaip vanduo daro per žarną. Lašai žarnos pradžioje nėra tokie patys kaip išleidimo angoje, tačiau tai vis tiek yra vanduo.

- 2 pavyzdys

Paveikslėlyje pavaizduoti du sujungti laidai, pagaminti iš tos pačios medžiagos. Srovė, einanti iš kairės į ploniausią dalį, yra 2 A. Ten elektronų įsiskverbimo greitis yra 8,2 x 10 ^-4 m / s. Darant prielaidą, kad srovės vertė išlieka pastovi, suraskite elektronų įtraukimo greitį dešinėje dalyje, m / s.

Sprendimas

Ploniausioje dalyje: J ₁ = nq v _d1 = I / A ₁

Ir storiausioje dalyje: J ₂ = nq v _d2 = I / A ₂

Srovė yra vienoda abiem sekcijoms, taip pat n ir q, todėl:

Nuorodos

1. Resnick, R. 1992. Fizika. Trečias išplėstas leidimas ispanų kalba. 2 tomas. Compañía Continental SA de CV
2. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14 ^-oji . Ed. 2 tomas. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fizika mokslui ir inžinerijai su šiuolaikine fizika. 7-asis leidimas. 2 tomas. „Cengage“ mokymasis. 752–775.
4. Sevilijos universitetas. Taikomosios fizikos katedra III. Srovės tankis ir intensyvumas. Atgauta iš: us.es
5. Walkeris, J. 2008. Fizika. 4-asis Pearsonas, 725–728.