- Mô hình dẫn điện
- Điều gì xảy ra khi dây dẫn được nối với pin?
- Tốc độ thu thập thông tin
- Độ dẫn điện của vật liệu
- Định luật Ohm
- Ví dụ ứng dụng
- -Ví dụ đã giải quyết 1
- Giải pháp
- - Ví dụ 2
- Giải pháp
- Người giới thiệu
Nó được gọi là mật độ dòng điện với lượng dòng điện trên một đơn vị diện tích qua vật dẫn. Nó là một đại lượng vectơ và môđun của nó được cho bởi thương số giữa dòng điện tức thời I đi qua tiết diện của dây dẫn và diện tích S của nó, sao cho:
Nói như thế này, các đơn vị trong Hệ thống quốc tế cho vectơ mật độ dòng điện là amps trên mét vuông: A / m 2 . Ở dạng vectơ, mật độ dòng điện là:
Vectơ mật độ dòng điện. Nguồn: Wikimedia Commons.
Mật độ dòng điện và cường độ dòng điện có liên quan với nhau, mặc dù vectơ trước là vectơ và vectơ sau thì không. Dòng điện không phải là một vectơ mặc dù có độ lớn và ý nghĩa, vì có hướng ưu tiên trong không gian là không cần thiết để thiết lập khái niệm.
Tuy nhiên, điện trường được thiết lập bên trong vật dẫn là một vectơ, và nó liên quan đến dòng điện. Theo trực giác, người ta hiểu rằng trường mạnh hơn khi dòng điện cũng mạnh hơn, nhưng diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn cũng đóng một vai trò quyết định trong vấn đề này.
Mô hình dẫn điện
Trong một đoạn dây dẫn trung tính như hình 3, có dạng hình trụ, các hạt tải điện chuyển động ngẫu nhiên theo một hướng bất kỳ. Bên trong vật dẫn, tùy theo loại chất mà nó tạo ra, sẽ có n hạt tải điện trên một đơn vị thể tích. Không nên nhầm lẫn n này với vectơ pháp tuyến vuông góc với bề mặt dẫn.
Một đoạn dây dẫn hình trụ cho thấy các hạt tải điện chuyển động theo các hướng khác nhau. Nguồn: tự làm.
Mô hình vật liệu dẫn điện được đề xuất bao gồm một mạng tinh thể ion cố định và một chất khí gồm các electron, là các hạt tải điện hiện tại, mặc dù chúng được biểu diễn ở đây bằng dấu +, vì đây là quy ước cho dòng điện.
Điều gì xảy ra khi dây dẫn được nối với pin?
Sau đó, một hiệu điện thế được thiết lập giữa các đầu của dây dẫn, nhờ vào một nguồn chịu trách nhiệm thực hiện công việc: pin.
Mạch điện đơn giản cho thấy một pin dùng dây dẫn điện để thắp sáng bóng đèn. Nguồn: tự làm.
Nhờ sự khác biệt tiềm năng này, các tàu sân bay hiện tại tăng tốc và di chuyển theo cách có trật tự hơn so với khi vật liệu trung tính. Bằng cách này, anh ta có thể bật bóng đèn của mạch điện được hiển thị.
Trong trường hợp này, một điện trường đã được tạo ra bên trong vật dẫn làm tăng tốc các electron. Tất nhiên, đường đi của chúng không tự do: mặc dù các electron có gia tốc, khi chúng va chạm với mạng tinh thể, chúng sẽ nhường một phần năng lượng và phân tán mọi lúc. Kết quả chung là chúng di chuyển có trật tự hơn một chút trong vật liệu, nhưng sự tiến bộ của chúng chắc chắn là rất ít.
Khi chúng va chạm với mạng tinh thể, chúng làm cho nó dao động, dẫn đến làm nóng chất dẫn điện. Đây là một hiệu ứng có thể dễ dàng nhận thấy: các dây dẫn điện trở nên nóng khi có dòng điện chạy qua.
Tốc độ thu thập thông tin
Các hạt tải điện hiện nay có chuyển động toàn cầu cùng chiều với điện trường. Tốc độ tổng thể mà chúng có được gọi là tốc độ kéo hoặc tốc độ trôi và được ký hiệu là v d .
Một khi sự khác biệt tiềm ẩn được thiết lập, các nhà cung cấp dịch vụ hiện tại sẽ di chuyển có trật tự hơn. Nguồn: tự làm.
Nó có thể được tính bằng một số xét đơn giản: khoảng cách di chuyển bên trong vật dẫn của mỗi hạt, trong một khoảng thời gian dt là v d . dt. Như đã nói ở trên, có n hạt trên một đơn vị thể tích, thể tích là tích của diện tích mặt cắt ngang A và quãng đường đi được:
Nếu mỗi hạt có điện tích q thì lượng điện tích dQ đi qua khu vực A trong khoảng thời gian dt là bao nhiêu ?:
Dòng điện tức thời chỉ là dQ / dt, do đó:
Khi điện tích dương, v d là theo hướng tương tự như E và J . Nếu điện tích âm thì v d ngược chiều điện trường E , nhưng J và E vẫn cùng phương. Mặt khác, mặc dù cường độ dòng điện trong toàn mạch là như nhau nhưng mật độ dòng điện không nhất thiết không thay đổi. Ví dụ, nó nhỏ hơn trong pin, có diện tích tiết diện lớn hơn trong các dây dẫn mỏng hơn.
Độ dẫn điện của vật liệu
Có thể nghĩ rằng các hạt tải điện chuyển động bên trong vật dẫn và va chạm liên tục với mạng tinh thể, phải đối mặt với một lực chống lại sự tiến lên của chúng, một loại ma sát hoặc lực tiêu tán F d tỷ lệ với tốc độ trung bình. mang, tức là, tốc độ kéo:
F d ∝ v
F d = α. v d
Đó là mô hình Drude-Lorentz, được tạo ra vào đầu thế kỷ 20 để giải thích chuyển động của các hạt tải điện bên trong một vật dẫn. Nó không tính đến các hiệu ứng lượng tử. α là hằng số tỷ lệ, có giá trị phù hợp với đặc tính của vật liệu.
Nếu tốc độ kéo không đổi thì tổng các lực tác dụng lên vật mang dòng điện bằng không. Lực còn lại do điện trường tác dụng, có độ lớn là Fe = qE:
Vận tốc cuốn theo có thể được biểu thị bằng mật độ dòng điện, nếu nó được giải quyết đúng cách:
Từ đâu:
Các hằng số n, q và α được nhóm lại trong một lần gọi σ, để cuối cùng chúng ta thu được:
Định luật Ohm
Mật độ dòng điện tỷ lệ thuận với điện trường được thiết lập bên trong vật dẫn. Kết quả này được gọi là định luật Ohm ở dạng vi mô hoặc định luật Ohm cục bộ.
Giá trị của σ = nq 2 / α là hằng số phụ thuộc vào vật liệu. Đó là về độ dẫn điện hoặc đơn giản là độ dẫn điện. Giá trị của chúng được lập bảng cho nhiều vật liệu và đơn vị của chúng trong Hệ thống quốc tế là ampe / vôn x mét (A / Vm), mặc dù có những đơn vị khác, ví dụ S / m (siemens trên mét).
Không phải tất cả các tài liệu đều tuân theo luật này. Những thứ đó được gọi là vật liệu ohmic.
Trong một chất có độ dẫn điện cao, nó dễ dàng thiết lập một điện trường, trong khi chất khác có độ dẫn điện thấp thì cần nhiều công sức hơn. Ví dụ về các vật liệu có độ dẫn điện cao là: graphene, bạc, đồng và vàng.
Ví dụ ứng dụng
-Ví dụ đã giải quyết 1
Tìm vận tốc kéo theo của các êlectron tự do trong một sợi dây đồng có tiết diện 2 mm 2 khi có dòng điện 3 A chạy qua, mỗi nguyên tử có 1 êlectron dẫn.
Dữ liệu: Số Avogadro = 6,023 10 23 hạt trên mol; điện tích electron -1,6 x 10 -19 C; tỷ trọng của đồng 8960 kg / m 3 ; khối lượng phân tử của đồng: 63,55 g / mol.
Giải pháp
Từ J = qnv d độ lớn của vận tốc kéo bị xóa:
Tốc độ này nhỏ đáng ngạc nhiên, nhưng bạn phải nhớ rằng các tàu chở hàng liên tục va chạm và nảy bên trong người lái, vì vậy họ không được dự kiến sẽ đi quá nhanh. Ví dụ, có thể mất gần một giờ để đi từ pin ô tô đến bóng đèn pha.
May mắn thay, bạn không phải đợi lâu như vậy để bật đèn. Một electron trong pin sẽ nhanh chóng đẩy những electron khác vào bên trong vật dẫn, và do đó điện trường được thiết lập rất nhanh vì nó là sóng điện từ. Đó là sự nhiễu loạn lan truyền trong dây.
Các electron xoay xở để nhảy với tốc độ ánh sáng từ nguyên tử này sang nguyên tử liền kề và dòng điện bắt đầu chảy theo cách giống như cách nước đi qua vòi. Những giọt ở đầu vòi không giống như ở đầu ra, nhưng nó vẫn là nước.
- Ví dụ 2
Hình bên cho thấy hai dây được kết nối, làm bằng cùng một vật liệu. Dòng điện đi từ trái sang phần mỏng nhất là 2 A. Ở đó tốc độ cuốn theo của các êlectron là 8,2 x 10 -4 m / s. Giả sử rằng giá trị của dòng điện không đổi, hãy tìm vận tốc cuốn theo của các electron trong phần bên phải, tính bằng m / s.
Giải pháp
Ở phần mỏng nhất: J 1 = nq v d1 = I / A 1
Và ở phần dày nhất: J 2 = nq v d2 = I / A 2
Dòng điện giống nhau cho cả hai phần, cũng như n và q, do đó:
Người giới thiệu
- Resnick, R. 1992. Vật lý. Phiên bản mở rộng thứ ba bằng tiếng Tây Ban Nha. Tập 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
- Sears, Zemansky. 2016. Vật lý Đại học với Vật lý hiện đại. 14 thứ . Ed. Tập 2. 817-820.
- Serway, R., Jewett, J. 2009. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật với Vật lý hiện đại. Phiên bản thứ 7. Tập 2. Cengage Learning. 752-775.
- Đại học Sevilla. Khoa Vật lý Ứng dụng III. Mật độ và cường độ dòng điện. Được phục hồi từ: us.es
- Walker, J. 2008. Vật lý. Biên tập thứ 4 Pearson. 725-728.