KETUMPATAN SEMASA: PENGALIRAN ELEKTRIK DAN CONTOH - FIZIKAL - 2026

Ia dipanggil ketumpatan arus ke jumlah arus per unit kawasan melalui konduktor. Ini adalah kuantiti vektor, dan modulus diberikan oleh hasil bagi antara arus sesaat I yang melewati keratan rentas konduktor dan kawasannya S, sehingga:

Seperti ini, unit dalam Sistem Antarabangsa untuk vektor ketumpatan semasa ialah amp per meter persegi: A / m ² . Dalam bentuk vektor ketumpatan semasa adalah:

Vektor ketumpatan semasa. Sumber: Wikimedia Commons.

Ketumpatan semasa dan intensiti semasa saling berkaitan, walaupun yang pertama adalah vektor dan yang terakhir tidak. Arus bukan vektor walaupun mempunyai magnitud dan makna, kerana mempunyai arah keutamaan di ruang tidak diperlukan untuk menetapkan konsep.

Walau bagaimanapun, medan elektrik yang didirikan di dalam konduktor adalah vektor, dan ia berkaitan dengan arus. Secara intuitif, difahami bahawa medan lebih kuat ketika arus juga lebih kuat, tetapi luas keratan rentas konduktor juga memainkan peranan penentu dalam hal ini.

Model pengaliran elektrik

Dalam sekeping wayar pengalir neutral seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, berbentuk silinder, pembawa muatan bergerak secara rawak ke arah mana pun. Di dalam konduktor, mengikut jenis bahan yang dihasilkan, akan ada pembawa cas per unit isipadu. N ini tidak boleh dikelirukan dengan vektor normal yang berserenjang dengan permukaan pengalir.

Sekeping konduktor silinder menunjukkan pembawa arus bergerak ke arah yang berbeza. Sumber: buatan sendiri.

Model bahan pengalir yang dicadangkan terdiri daripada kisi ion tetap dan gas elektron, yang merupakan pembawa arus, walaupun mereka diwakili di sini dengan tanda +, kerana ini adalah konvensi untuk arus.

Apa yang berlaku apabila konduktor disambungkan ke bateri?

Kemudian perbezaan yang mungkin berlaku antara hujung konduktor, berkat sumber yang bertanggungjawab untuk melakukan kerja: bateri.

Litar sederhana menunjukkan bateri yang menggunakan wayar konduktif menyalakan mentol. Sumber: buatan sendiri.

Berkat perbezaan yang berpotensi ini, pengangkut semasa mempercepat dan berjalan dengan cara yang lebih teratur daripada ketika bahan itu neutral. Dengan cara ini dia dapat menghidupkan mentol litar yang ditunjukkan.

Dalam kes ini, medan elektrik telah dibuat di dalam konduktor yang mempercepat elektron. Sudah tentu, jalan mereka tidak bebas: walaupun elektron mempunyai pecutan, kerana mereka bertabrakan dengan kisi kristal, mereka melepaskan sebahagian tenaga mereka dan tersebar sepanjang masa. Hasil keseluruhannya adalah bahawa mereka bergerak sedikit lebih teratur dalam bahan, tetapi kemajuan mereka tentu sangat sedikit.

Semasa bertabrakan dengan kisi kristal mereka mengaturnya untuk bergetar, mengakibatkan pemanasan konduktor. Ini adalah kesan yang mudah diperhatikan: wayar konduktif menjadi panas apabila disalurkan oleh arus elektrik.

Kelajuan merangkak

Pembawa semasa sekarang mempunyai gerakan global ke arah yang sama dengan medan elektrik. Kelajuan global yang mereka miliki disebut kelajuan drag atau speed drift dan dilambangkan sebagai v _d .

Setelah perbezaan yang berpotensi dijumpai, pembawa arus mempunyai pergerakan yang lebih teratur. Sumber: buatan sendiri.

Ia dapat dikira dengan beberapa pertimbangan sederhana: jarak yang dilalui di dalam konduktor oleh setiap zarah, dalam selang waktu dt adalah v _d . dt. Seperti yang dinyatakan sebelumnya, terdapat n zarah per unit isipadu, isipadunya adalah produk dari luas keratan rentas A dan jarak yang dilalui:

Sekiranya setiap zarah mempunyai muatan q, berapakah jumlah muatan dQ yang melewati kawasan A dalam selang waktu dt?:

Arus sesaat hanyalah dQ / dt, oleh itu:

Apabila pertuduhan adalah positif, v _d adalah dalam arah yang sama seperti E dan J . Sekiranya casnya negatif, v _d bertentangan dengan medan E , tetapi J dan E masih mempunyai arah yang sama. Sebaliknya, walaupun arus sama di seluruh litar, ketumpatan arus tidak semestinya tetap tidak berubah. Contohnya, baterinya lebih kecil, yang luas keratan rentasnya lebih besar daripada kabel konduktor yang lebih nipis.

Kekonduksian bahan

Boleh dikatakan bahawa pembawa muatan bergerak di dalam konduktor dan terus bertabrakan dengan kisi kristal, menghadapi kekuatan yang menentang kemajuan mereka, semacam geseran atau daya disipatif F _d yang sebanding dengan kelajuan rata-rata yang bawa, iaitu kelajuan seret:

F _d ∝ v

F _d = α. v _d

Ini adalah model Drude-Lorentz, yang dibuat pada awal abad ke-20 untuk menjelaskan pergerakan pembawa semasa di dalam konduktor. Ia tidak mengambil kira kesan kuantum. α ialah pemalar berkadar, yang nilainya sesuai dengan ciri bahan.

Sekiranya kelajuan drag tetap, jumlah daya yang bertindak pada pembawa arus adalah sifar. Kekuatan lain adalah yang diberikan oleh medan elektrik, yang besarnya adalah Fe = qE:

Kelajuan tarikan dapat dinyatakan dalam bentuk kepadatan arus, jika diselesaikan dengan betul:

Dari mana:

Pemalar n, q dan α dikelompokkan dalam satu panggilan σ, sehingga akhirnya kami memperoleh:

Undang-undang Ohm

Ketumpatan arus berkadar terus dengan medan elektrik yang terdapat di dalam konduktor. Hasil ini dikenali sebagai undang-undang Ohm dalam bentuk mikroskopik atau undang-undang Ohm tempatan.

Nilai σ = nq ² / α ialah pemalar yang bergantung pada bahan. Ini mengenai kekonduksian elektrik atau hanya kekonduksian. Nilai mereka dijadualkan untuk banyak bahan dan unitnya dalam Sistem Antarabangsa adalah amp / volt x meter (A / Vm), walaupun ada unit lain, misalnya S / m (siemens per meter).

Tidak semua bahan mematuhi undang-undang ini. Mereka yang dikenali sebagai bahan ohmik.

Dalam bahan dengan kekonduksian tinggi, mudah untuk mewujudkan medan elektrik, sementara yang lain dengan kekonduksian rendah memerlukan lebih banyak kerja. Contoh bahan dengan kekonduksian tinggi adalah: graphene, perak, tembaga dan emas.

Contoh aplikasi

-Contoh penyelesaian 1

Cari kelajuan elektron bebas di dawai tembaga dengan luas keratan rentas 2 mm ² apabila arus 3 A. melaluinya. Tembaga mempunyai 1 elektron konduksi untuk setiap atom.

Data: Nombor Avogadro = 6.023 10 ²³ zarah per mol; cas elektron -1,6 x 10 ^-19 C; ketumpatan tembaga 8960 kg / m ³ ; berat molekul kuprum: 63.55 g / mol.

Penyelesaian

Dari J = qnv _d , magnitud seret dibersihkan:

Bagaimana lampu menyala dengan serta-merta?

Kelajuan ini mengejutkan kecil, tetapi harus diingat bahawa pengangkut kargo terus berlanggar dan melambung di dalam pemandu, sehingga mereka tidak diharapkan bergerak terlalu cepat. Mungkin memerlukan satu jam elektron untuk pergi dari bateri kereta ke lampu lampu misalnya.

Nasib baik, anda tidak perlu menunggu lama untuk menyalakan lampu. Satu elektron dalam bateri dengan cepat mendorong yang lain ke dalam konduktor, dan dengan itu medan elektrik dipasang dengan cepat kerana ia adalah gelombang elektromagnetik. Ini adalah gangguan yang menyebarkan di dalam wayar.

Elektron mampu melompat pada kelajuan cahaya dari satu atom ke atom yang bersebelahan dan arus mula mengalir dengan cara yang sama seperti air melalui selang. Titisan pada awal selang tidak sama seperti di saluran keluar, tetapi tetap air.

- Contoh kerja 2

Gambar menunjukkan dua wayar bersambung, diperbuat daripada bahan yang sama. Arus yang masuk dari kiri ke bahagian paling nipis adalah 2 A. Di sana kelajuan daya tarikan elektron adalah 8.2 x 10 ^-4 m / s. Dengan andaian bahawa nilai arus tetap, cari halaju elektron pada bahagian di sebelah kanan, dalam m / s.

Penyelesaian

Di bahagian paling nipis: J ₁ = nq v _d1 = I / A ₁

Dan di bahagian paling tebal: J ₂ = nq v _d2 = I / A ₂

Arus adalah sama untuk kedua-dua bahagian, dan juga n dan q, oleh itu:

Rujukan

1. Resnick, R. 1992. Fizik. Edisi diperluas ketiga dalam bahasa Sepanyol. Jilid 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14 ^th . Ed. Jilid 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan dengan Fizik Moden. Edisi ke-7. Jilid 2. Pembelajaran Cengage. 752-775.
4. Universiti Sevilla. Jabatan Fizik Gunaan III. Ketumpatan dan intensiti arus. Dipulihkan dari: us.es
5. Walker, J. 2008. Fizik. Edisi ke-4 Pearson.725-728.