ГУСТИНА СТРУЈЕ: ЕЛЕКТРИЧНА ПРОВОДЉИВОСТ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Назива се густином струје до количине струје по јединици површине кроз проводник. То је векторска количина, а њен модул је дат квоцијентом између тренутне струје И која пролази кроз пресек проводника и његове површине С тако да:

Овако речено, јединице у Међународном систему за вектор густине струје су ампере по квадратном метру: А / м ² . У векторском облику густина струје је:

Вектор густине струје. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Густина струје и интензитет струје су повезани, мада је први вектор, а други није. Струја није вектор упркос величини и значењу, будући да преференцијални правац у простору није неопходан за успостављање концепта.

Међутим, електрично поље које се успоставља унутар проводника је вектор, и повезано је са струјом. Интуитивно се подразумева да је поље јаче и када је струја јача, али површина попречног пресека проводника такође игра одлучујућу улогу у том погледу.

Модел електричне проводљивости

У комаду неутралне проводне жице попут онога приказаног на слици 3, цилиндричног облика, носачи набоја крећу се насумично у било којем правцу. Унутар проводника, према врсти материје са којом је произведен, налазиће се н носача набоја по јединици запремине. Ову н не треба мешати са нормалним вектором окомитим на проводну површину.

Комад цилиндричног проводника приказује носаче струје који се крећу у различитим правцима. Извор: селф маде.

Предложени модел проводног материјала састоји се од фиксне јонске решетке и гаса електрона који су носиоци струје, мада су овде представљени знаком +, пошто је то конвенција за струју.

Шта се догађа када је проводник спојен на батерију?

Тада се успоставља потенцијална разлика између крајева проводника, захваљујући извору који је одговоран за обављање посла: батерији.

Једноставан круг показује батерију која помоћу проводних жица упали жаруљу. Извор: селф маде.

Захваљујући овој потенцијалној разлици, тренутни носачи убрзавају се и марширају на правилнији начин него када је материјал био неутралан. На овај начин он може да укључи жаруљу приказаног круга.

У овом случају се у проводнику ствара електрично поље које убрзава електроне. Наравно, њихов пут није слободан: упркос чињеници да електрони имају убрзање, док се сударају с кристалном решетком, они се одричу дела енергије и стално се распршују. Општи резултат је да се они крећу мало уређеније унутар материјала, али њихов напредак је сигурно врло мали.

Док се сударају с кристалном решетком, они постављају да вибрира, што резултира загревањем проводника. Ово је ефекат који се лако уочава: проводне жице постају вруће када кроз њих прође електрична струја.

Брзина пузања

Садашњи носачи имају глобално кретање у истом смеру као и електрично поље. Та глобална брзина коју имају назива се брзином вучења или брзине помицања и симболизира се као в _д .

Једном када се утврди потенцијална разлика, тренутни носачи ће се уредније кретати. Извор: селф маде.

Може се израчунати помоћу неких једноставних разматрања: удаљеност која је свака честица прешла унутар водича у временском интервалу дт је в _д . дт. Као што је претходно наведено, постоји н честица по јединици запремине, запремина је производ површине попречног пресека А и пређене удаљености:

Ако свака честица има набој к, која количина набоја дК пролази кроз подручје А у временском интервалу дт?:

Тренутна струја је само дК / дт, дакле:

Кад је набој позитиван, в _д је у истом правцу као и Е и Ј . Ако је набој негативан, в _д је насупрот пољу Е , али Ј и Е и даље имају исти правац. С друге стране, иако је струја иста у цијелом кругу, густоћа струје не мора нужно остати непромијењена. На примјер, мањи је у батерији, чија је површина попречног пресека већа него код тањих жица проводника.

Проводљивост материјала

Може се сматра да су носиоци наелектрисања, покретни унутар проводника и стално сударају са кристалним решетки, суочавају силу која се противи своје напредовање, неку врсту трења или расипан сила Ф _д који је пропорционалан просечној брзини тог носити, односно брзину вучења:

Ф _д ∝ в

Ф _д = α. в _д

То је модел Друде-Лорентз, створен почетком 20. века да објасни кретање струјних носача унутар неког проводника. Не узима у обзир квантне ефекте. α је константа пропорционалности, чија је вредност у складу са карактеристикама материјала.

Ако је брзина вучења константна, збир сила који делују на тренутни носач је нула. Друга сила је она која делује на електрично поље, чија је величина Фе = кЕ:

Улазна брзина може се изразити у смислу густине струје ако је правилно решена:

Одакле:

Константе н, к и α групишу се у једном позиву σ, тако да на крају добијемо:

Охмов закон

Густина струје директно је пропорционална електричном пољу успостављеном унутар проводника. Овај резултат је познат под називом Охмов закон у микроскопском облику или локални Охмов закон.

Вредност σ = нк ² / α је константа која зависи од материјала. Ријеч је о електричној водљивости или једноставно проводљивости. Њихове вредности су табеларно приказане за многе материјале, а њихове јединице у међународном систему су ампере / волти к метар (А / Вм), иако постоје и друге јединице, на пример С / м (сиеменс по метру).

Нису сви материјали у складу са овим законом. Они који су познати познати су под називом охмички материјали.

У материји са високом проводљивошћу лако је успоставити електрично поље, док је у другој са ниском проводљивошћу потребно више рада. Примери материјала са високом проводљивошћу су: графен, сребро, бакар и злато.

Примјери апликације

-Решен пример 1

Пронађите брзину вучења слободних електрона у бакреној жици површине пресека 2 мм ² када кроз њу прође струја од 3 А. Бакар има 1 електрону проводљивости за сваки атом.

Подаци: Авогадров број = 6.023 10 ²³ честица по молу; набој електрона -1,6 к 10 ^-19 Ц; густина бакра 8960 кг / м ³ ; молекулска тежина бакра: 63,55 г / мол.

Решење

Из Ј = кнв _д брише се величина брзине повлачења:

Како то да се светла одмах пале?

Ова брзина је изненађујуће мала, али морате имати на уму да се теретни превозници континуирано сударају и одбијају унутар возача, па се не очекује да пређу пребрзо. На пример, може проћи готово сат времена од акумулатора аутомобила до аутомобилске сијалице.

Срећом, не требате чекати толико дуго да упалите светла. Један електрон у батерији брзо гура остале унутар проводника, и тако се електрично поље успоставља врло брзо, јер је у питању електромагнетни талас. Узнемиреност се шири унутар жице.

Електрони успевају да скачу брзином светлости са једног атома на суседни и струја почиње да тече на исти начин као што вода пролази кроз црево. Капи на почетку црева нису исте као на излазу, али то је још увек вода.

- Пример 2

На слици су приказане две повезане жице израђене од истог материјала. Струја која улази са леве у најтањи део је 2 А. Тамо је брзина уласка електрона 8,2 к 10 ^-4 м / с. Претпостављајући да вредност струје остаје константна, пронађите брзину увођења електрона у делу десно, у м / с.

Решење

У најтањем пресјеку: Ј ₁ = нк в _д1 = И / А ₁

И у најдебљем одељку: Ј ₂ = нк в _д2 = И / А ₂

Струја је иста за оба дела, као и н и к, дакле:

Референце

1. Ресницк, Р. 1992. Физика. Треће проширено издање на шпанском. Свезак 2. Цомпаниа Редакција Цонтинентал СА де ЦВ
2. Сеарс, Земански. 2016. Универзитетска физика са савременом физиком. 14 ^-ог . Изд. Свезак 2. 817-820.
3. Серваи, Р., Јеветт, Ј. 2009. Физика за науку и инжењерство са модерном физиком. 7тх Едитион. Свезак 2. Ценгаге Леарнинг. 752-775.
4. Универзитет у Севиљи. Одељење примењене физике ИИИ. Густина и интензитет струје. Опоравак од: ус.ес
5. Валкер, Ј. 2008. Физика. 4. изд. Пеарсон. 725-728.