Električna prevodnost in primeri trenutne gostote

Se imenuje Toka gostota na količino toka na enoto območja prek voznika. To je vektorska velikost, njegov modul pa je podan s količnikom med trenutnim tokom in ki prečka presek voznika in območje S istega, tako da:

Smer vektorja toka gostote je smer normalnega vektorja enote do preseka N, na koncu pa je smer enaka toku, ki se s konvencijo vzame kot tisti, ki bi ga imeli pozitivni nosilci obremenitve.

Na ta način so enote v mednarodnem sistemu za sedanji vektor gostote ojačevalniki na kvadratni meter: a/m². Vektorsko je gostota toka:

Na spodnji sliki je vektor gostote toka, katerega velikost je v tem primeru J (y, z), torej koordinatna funkcija J, in, in z. S je območje prereza, ki je ilustrirano kvadratno, vendar ima lahko katero koli drugo obliko, običajno je krožno.

Vektor toka gostote. Vir: Wikimedia Commons.

Toka gostota in intenzivnost toka sta povezana, čeprav je prvi vektor, drugi. Tok ni vektor, čeprav ima velikost in pomen, saj imeti preferencialno smer v vesolju ni potrebno za vzpostavitev koncepta.

Vendar je električno polje, vzpostavljeno znotraj voznika, vektor in je povezano s tokom. Intuitivno se razume, da je polje bolj intenzivno, ko je tok tudi bolj intenziven, vendar ima voznikov presek tudi odločilno vlogo v tem vidiku.

[TOC]

Električni model vožnje

V kosu nevtralne prevodne žice, kot je tisti, prikazan na sliki 3. Znotraj voznika, glede na vrsto snovi, ki jo izdeluje n Nosilci obremenitve na enoto prostornine. Tega n ne bi smeli zamenjati z običajnim vektorjem, pravokotno na prevodno površino.

Košček valjastega prevodnika se prikaže znotraj trenutnih nosilcev, ki se premikajo v različnih smereh. Vir: Self Made.

Predlagani model materiala za ravnanje je sestavljen iz fiksne ionske omrežja in elektronskega plina, ki so trenutni prevozniki, tudi če so tukaj predstavljeni z znakom +, saj je to konvencija za tok.

Kaj se zgodi, ko se voznik poveže z baterijo?

Potem se vzpostavi potencialna razlika med voznikovim koncem, zahvaljujoč viru, ki je odgovoren za delo: baterijo.

Vam lahko služi: nebesna telesaPreprosto vezje prikazuje baterijo, ki z žičnimi žicami vklopi žarnico. Vir: Self Made.

Zahvaljujoč tej potencialni razliki se trenutni prevozniki pospešijo in korakajo na bolj urejen način kot takrat, ko je bil material nevtralen. Na ta način lahko prižgete žarnico prikazanega vezja.

V tem primeru je bilo v vozniku ustvarjeno električno polje, ki pospešuje elektrone. Seveda pot teh ni brezplačna: čeprav imajo elektroni pospeševanje, ko trkajo v kristalno omrežje. Globalni rezultat je, da se v materialu nekoliko bolj premikajo, zagotovo pa je njihov napredek zelo malo.

Ko trčijo v kristalno omrežje, ga vibrirajo, kar ima za posledico ogrevanje voznika. To je učinek, ki ga je enostavno opaziti: prevodni kabli segrejejo, ko jih prečka električni tok.

Hitrost vlečenja v_d  in trenutna gostota

Trenutni nosilci imajo zdaj globalno gibanje v isti smeri kot električno polje. Ta svetovna hitrost se imenuje hitrost vlečenja tudi hitrost odmika In simbolizira kot v_d.

Ko se ugotovi potencialna razlika, imajo trenutni prevozniki bolj urejeno gibanje. Vir: Self Made.

Izračunamo ga lahko z nekaterimi preprostimi premisleki: razdalja, prevožena znotraj voznika za vsak delček, v časovnem intervalu Dt je v_d . Dt. Kot rečeno prej, obstajajo n delci na enoto volumna, prostornina pa je produkt območja preseka A do prevožene razdalje:

V = a.v_d Dt

Če ima vsak delček obremenitev Q, koliko obremenitve DQ prehaja skozi območje Do V časovnem intervalu Dt?:

dq = q.n. Do.v_d Dt

 

Takojšnji tok je samo dq/dt, torej:

In delitev med A dobimo s trenutnim vektorjem gostote J:

J = q.n.v_d

Ko je obremenitev pozitivna, v_d je v isti smeri kot In  in J. Če bi bila obremenitev negativna, v_d  je nasprotno polju In, ampak J in In Še naprej imajo isti naslov. Po drugi strani pa tudi, če je tok enak v celotnem vezju, gostota toka ne ostane nujno nespremenjena. Na primer, nižja je v bateriji, katere površina preseka je večja kot pri vožnjih žicah, tanjša.

Prevodnost materiala

Mislimo, da se nosilci obremenitve, ki se gibljejo v vozniku in nenehno trčijo v kristalno omrežje, soočajo s silo, ki nasprotuje njihovemu napredku, nekakšni trenju ali disipativni sili F_d Kar je sorazmerno s povprečno hitrostjo, ki jo imajo, to je hitrost povleka:

Vam lahko služi: prednosti in slabosti trenja

F_d ∝ v

F_d = α. v_d

To je model Drude-Lorentz, ustvarjen na začetku 20. stoletja, da bi razložil gibanje sedanjih nosilcev znotraj voznika. Ne upošteva kvantnih učinkov. α je konstanta sorazmernosti, katere vrednost je glede na značilnosti gradiva.

Če je hitrost vlečenja konstantna, je vsota sil, ki delujejo na trenutni nosilec. Druga sila je tista, ki jo izvaja električno polje, katerega velikost je Fe = q.In:

QE - α. v_d = 0

Hitrost povleka se lahko izrazi glede na gostoto trenutne, če je priročno očiščena:

Zato:

Od kje:

J = nq²E/α

Konstante N, Q in α so razvrščene v en klic σ, tako da se končno dobijo:

 J = σIn

Ohmov zakon

Toka gostota je neposredno sorazmerna z električnim poljem, vzpostavljenim znotraj voznika. Na ta rezultat je znan kot Ohmov zakon v mikroskopski obliki ali lokalnem zakonu OHM.

Vrednost σ = n.q² / α je konstanta, ki je odvisna od materiala. Gre za električna prevodnost ali preprosto prevodnost. Njene vrednosti so tabelirane za številne materiale, njihove enote v mednarodnem sistemu pa so AMPS/VOLT X meter (A/V.m), čeprav obstajajo druge enote, na primer s/m (siemens na meter).

Niso vsa gradiva v skladu s tem zakonom. Tisti, ki to počnejo Ohmični materiali.

V snovi z visoko prevodnostjo je enostavno vzpostaviti električno polje, v drugem z nizko prevodnostjo. Primeri materialov z visoko prevodnostjo so: grafen, srebro, baker in zlato.

Primeri prijave

-Rešen primer 1

Poiščite hitrost povleka prostih elektronov v bakrenem kablu preseka 2 mm² Ko tok 3 preide skozi njega. Baker ima 1 pogonski elektron na atom.

Dejstvo: Avogadro številka = 6.023 10²³ delci po mol; obremenitev elektronov -1.6 x 10^-19 C; Gostota bakra 8960 kg/m³; Molekularna masa bakra: 63,55 g/mol.

Rešitev

Od J = q.n.v_d Obseg hitrosti vlečenja se očisti:

Za lažje izračune vrednost n, ki je število nosilcev obremenitve na enoto volumna, potem se določi velikost j in končno je vse nadomeščeno v prejšnjem izrazu:

Vam lahko služi: kategorična spremenljivka: značilnosti in primeri

Kako se luči prižgejo takoj?

Ta hitrost je presenetljivo. Lahko traja elektron za skoraj eno uro, da se od avtomobilske baterije do žarnice svetilnika.

Na srečo vam ni treba čakati tako dolgo, da prižgete luči. Elektron na bateriji hitro potisne druge v gonilnik, zato je električno polje vzpostavljeno zelo hitro, saj je elektromagnetni val. Motnja se širi znotraj žice.

Elektroni uspe skočiti s hitrostjo svetlobe atoma do sosednjega in tok začne teči na enak način kot voda skozi cev. Kapljice na začetku cevi niso enake kot na izhodu, ampak je tudi voda.

-Rešen primer 2

Slika prikazuje dve povezani žici, narejeni iz istega materiala. Tok, ki vstopi od leve do tanjšega dela. Tam hitrost vlečenja elektronov 8.2 x 10^-4 gospa. Ob predpostavki, da vrednost toka ostane konstantna, pri iskanju hitrosti povleka elektronov v delu desne strani v m/s.

Rešitev

V tanjšem razdelku: J₁ = n.q. v_D1 = I/a₁

In v najdebelejšem delu: J₂ = n.q. v_D2 = I/a₂

Tok je enak za oba odseka, pa tudi tako n in q, Zato:

Hitrost vlečenja je nižja v širšem delu, kar je bilo pričakovano.

Reference

1. Resnick, r. 1992.Fizično. Tretja izdaja, razširjena v španščini. Zvezek 2. Continental uredništvo s.Do. od c.V.
2. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14^th. Ed. Zvezek 2. 817-820.
3. Serway, r., Jewett, J. 2009. Fizika za znanost in inženiring s sodobno fiziko. 7. izdaja. Zvezek 2. Cengage učenje. 752-775.
4. Univerza Sevilla. Oddelek za uporabno fiziko III. Gostota in intenzivnost toka. Okrevano od: ZDA.je
5. Walker, J. 2008. Fizika. 4. izd. Pearson.725-728.