STRĀVAS BLĪVUMS: ELEKTRISKĀ VADĪTSPĒJA UN PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

To sauc par strāvas blīvumu līdz strāvas daudzumam vienā laukuma vienībā caur vadītāju. Tas ir vektora lielums, un tā moduli piešķir koeficients starp momentāno strāvu I, kas iet caur vadītāja šķērsgriezumu, un tā laukumu S, lai:

Tādā veidā sakot, pašreizējā blīvuma vektora Starptautiskajā sistēmā vienības ir ampēri kvadrātmetrā: A / m ² . Vektoru formā strāvas blīvums ir:

Pašreizējā blīvuma vektors. Avots: Wikimedia Commons.

Strāvas blīvums un strāvas intensitāte ir savstarpēji saistīti, lai gan pirmais ir vektors, bet otrais nav. Neskatoties uz to, ka tam ir lielums un nozīme, strāva nav vektors, jo, lai izveidotu koncepciju, nav nepieciešams preferenciāls virziens telpā.

Tomēr elektriskais lauks, kas izveidots vadītāja iekšpusē, ir vektors, un tas ir saistīts ar strāvu. Intuitīvi saprotams, ka lauks ir spēcīgāks, ja arī strāva ir spēcīgāka, taču arī diriģenta šķērsgriezuma laukumam šajā ziņā ir noteicoša loma.

Elektriskās vadīšanas modelis

Neitrālas vadošas stieples gabalā, kā parādīts 3. attēlā, cilindriska forma, lādiņnesēji nejauši pārvietojas jebkurā virzienā. Diriģenta iekšpusē atkarībā no vielas veida, ar kuru tā ir izgatavota, uz tilpuma vienību būs n lādiņa nesēja. Šo n nevajadzētu sajaukt ar parasto vektoru, kas ir perpendikulārs vadošajai virsmai.

Cilindriskā vadītāja gabals parāda pašreizējos nesējus, kas pārvietojas dažādos virzienos. Avots: pašu gatavots.

Piedāvātais vadošā materiāla modelis sastāv no fiksētas jonu režģa un elektronu gāzes, kas ir strāvas nesēji, lai arī šeit tie ir attēloti ar + zīmi, jo šī ir strāvas konvencija.

Kas notiek, kad diriģents ir pievienots akumulatoram?

Tad, pateicoties avotam, kurš ir atbildīgs par darba veikšanu, tiek noteikta potenciāla atšķirība starp vadītāja galiem: akumulatoram.

Vienkārša shēma parāda akumulatoru, kas ar vadošiem vadiem iedegas spuldzē. Avots: pašu gatavots.

Pateicoties šai potenciālajai atšķirībai, pašreizējie nesēji paātrinās un soļo daudz sakārtotākā veidā nekā tad, kad materiāls bija neitrāls. Tādā veidā viņš spēj ieslēgt parādītās shēmas spuldzi.

Šajā gadījumā diriģenta iekšpusē ir izveidots elektriskais lauks, kas paātrina elektronus. Protams, to ceļš nav brīvs: kaut arī elektroniem ir paātrinājums, saduras ar kristālisko režģi, tie atsakās no savas enerģijas un visu laiku ir izkliedēti. Kopējais rezultāts ir tāds, ka materiālā viņi pārvietojas nedaudz sakārtotāk, taču to progress, protams, ir ļoti mazs.

Saduroties ar kristālisko režģi, viņi to vibrē, izraisot vadītāja sildīšanu. Tas ir efekts, ko viegli pamanīt: vadošie vadi sakarst, kad tos izlaiž caur elektrisko strāvu.

Pārmeklēšanas ātrums

Pašreizējiem nesējiem tagad ir globāla kustība tajā pašā virzienā kā elektriskajam laukam. Šis visaptverošais ātrums viņi sauc par vilkšanas ātrums vai drift ātrums un simbolizē kā v _d .

Kad ir noteikta potenciālā atšķirība, pašreizējie pārvadātāji pārvietojas sakārtotāk. Avots: pašu gatavots.

To var aprēķināt, izmantojot dažus vienkāršus apsvērumus: attālums, ko katra daļiņa novada diriģenta iekšpusē, laika intervālā dt ir v _d . dt. Kā minēts iepriekš, uz tilpuma vienību nav n daļiņu, tilpums ir šķērsgriezuma laukuma A un nobrauktā attāluma reizinājums:

Ja katrai daļiņai ir lādiņš q, kāds lādiņa daudzums dQ šķērso zonu A laika intervālā dt?

Pašreizējā strāva ir tikai dQ / dt, tāpēc:

Kad maksa ir pozitīvs, v _d ir tajā pašā virzienā kā E un J . Ja lādiņš būtu negatīvs, v _d ir pretī laukam E , bet J un E joprojām ir vienāds virziens. No otras puses, kaut arī strāva visā ķēdē ir vienāda, strāvas blīvums vienmēr nemainās. Piemēram, tas ir mazāks akumulatorā, kura šķērsgriezuma laukums ir lielāks nekā plānākajos vadītāju vados.

Materiāla vadītspēja

Var domāt, ka lādiņnesēji, kas pārvietojas vadītāja iekšienē un nepārtraukti saduras ar kristālisko režģi, saskaras ar spēku, kas ir pretēji to virzībai, sava veida berzi vai izkliedējošo spēku F _d, kas ir proporcionāls vidējam ātrumam, kas veikt, tas ir, vilkšanas ātrumu:

F _d ∝ v

F _d = α. v _d

Tas ir Drudes-Lorenca modelis, kas izveidots 20. gadsimta sākumā, lai izskaidrotu pašreizējo nesēju kustību diriģenta iekšienē. Tas neņem vērā kvantu efektus. α ir proporcionalitātes konstante, kuras vērtība atbilst materiāla īpašībām.

Ja vilkšanas ātrums ir nemainīgs, spēku summa, kas iedarbojas uz strāvas nesēju, ir nulle. Otru spēku ietekmē elektriskais lauks, kura lielums ir Fe = qE:

Iekļūšanas ātrumu var izteikt ar strāvas blīvumu, ja tas ir pareizi atrisināts:

No kurienes:

Konstantes n, q un α ir sagrupētas vienā izsaukumā σ, lai galu galā iegūtu:

Ohmas likums

Strāvas blīvums ir tieši proporcionāls elektriskajam laukam, kas izveidots vadītāja iekšpusē. Šis rezultāts ir pazīstams kā Ohmas likums mikroskopiskā formā vai vietējais Ohma likums.

Σ = nq ² / α vērtība ir konstante, kas ir atkarīga no materiāla. Tas ir par elektrisko vadītspēju vai vienkārši par vadītspēju. Daudziem materiāliem to vērtības ir tabulas, un to vienības Starptautiskajā sistēmā ir ampēri / volts x metrs (A / Vm), lai arī ir arī citas vienības, piemēram, S / m (siemens uz metru).

Ne visi materiāli atbilst šim likumam. Tos, kas to dara, sauc par omiskiem materiāliem.

Vielai ar augstu vadītspēju ir viegli izveidot elektrisko lauku, savukārt citā ar zemu vadītspēju tas prasa vairāk darba. Materiālu ar augstu vadītspēju piemēri ir: grafēns, sudrabs, varš un zelts.

Lietošanas piemēri

-Izolēts 1. piemērs

Atrodiet brīvo elektronu vilkšanas ātrumu vara stieplē ar šķērsgriezuma laukumu 2 mm ^2, kad caur to iet strāva 3 A. Varš ir 1 vadīšanas elektrons katram atomam.

Dati: Avogadro skaitlis = 6,023 10 ²³ daļiņas uz mola; elektronu lādiņš -1,6 x 10 ^-19 C; vara blīvums 8960 kg / m ³ ; vara molekulmasa: 63,55 g / mol.

Risinājums

No J = qnv _d tiek notīrīts vilkšanas ātruma lielums:

Kā dēļ gaismas iedegas uzreiz?

Šis ātrums ir pārsteidzoši mazs, taču jums ir jāatceras, ka kravas pārvadātāji nepārtraukti saduras un plūst vadītāja iekšienē, tāpēc nav paredzams, ka viņi brauks pārāk ātri. Lai aizietu, piemēram, no automašīnas akumulatora uz priekšējo lukturu spuldzi, var būt nepieciešams elektrons gandrīz stundu.

Par laimi, jums tik ilgi nav jāgaida, lai ieslēgtu gaismas. Viens elektrons akumulatorā ātri nospiež citus vadītāja iekšpusē, un tādējādi elektriskais lauks tiek izveidots ļoti ātri, jo tas ir elektromagnētiskais vilnis. Tas ir traucējums, kas izplatās stieples iekšienē.

Elektroniem izdodas lēkt ar gaismas ātrumu no viena atoma uz blakus esošo, un strāva sāk plūst tādā pašā veidā, kā ūdens to dara caur šļūteni. Pilieni šļūtenes sākumā nav tādi paši kā izejā, bet tas joprojām ir ūdens.

- 2. darba piemērs

Attēlā parādīti divi savienoti vadi, kas izgatavoti no tā paša materiāla. Strāva, kas ieiet no kreisās puses līdz plānākajai daļai, ir 2 A. Tur elektronu iesūkšanās ātrums ir 8,2 x 10 ^-4 m / s. Pieņemot, ka strāvas vērtība paliek nemainīga, atrodiet elektronu saķeršanās ātrumu porcijā pa labi, m / s.

Risinājums

Plānākajā sadaļā: J ₁ = nq v _d1 = I / A ₁

Un biezākajā sadaļā: J ₂ = nq v _d2 = I / A ₂

Strāva ir vienāda abām sekcijām, kā arī n un q, tāpēc:

Atsauces

1. Resnick, R. 1992. Fizika. Trešais paplašinātais izdevums spāņu valodā. 2. sējums. Compañía Continental SA de CV
2. Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14 ^th . Ed. 2. sējums. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fizika zinātnei un inženierijai ar mūsdienu fiziku. 7. izdevums. Sējums 2. Cengage mācība. 752–775.
4. Seviļas universitāte. Lietišķās fizikas katedra III. Strāvas blīvums un intensitāte. Atgūts no: us.es
5. Walker, J. 2008. Fizika. 4. ed. Pīrsons, 725–728.