KEPADATAN ARUS: KONDUKSI LISTRIK DAN CONTOH - FISIK - 2024

Ini disebut rapat arus dengan jumlah arus per satuan luas melalui konduktor. Ini adalah besaran vektor, dan modulusnya diberikan oleh hasil bagi antara arus sesaat I yang melewati penampang konduktor dan luas S, sehingga:

Dengan kata lain, satuan dalam Sistem Internasional untuk vektor massa jenis arus adalah amps per meter persegi: A / m ² . Dalam bentuk vektor, rapat arus adalah:

Vektor kepadatan arus. Sumber: Wikimedia Commons.

Kepadatan arus dan intensitas arus saling berhubungan, meskipun yang pertama adalah vektor dan yang terakhir tidak. Arus bukanlah vektor meskipun memiliki besaran dan makna, karena memiliki arah preferensial dalam ruang tidak diperlukan untuk menetapkan konsep tersebut.

Namun, medan listrik yang terbentuk di dalam konduktor adalah vektor, dan ini berhubungan dengan arus. Secara intuitif, dipahami bahwa medan lebih kuat ketika arusnya juga lebih kuat, tetapi luas penampang konduktor juga memainkan peran yang menentukan dalam hal ini.

Model konduksi listrik

Dalam seutas kabel konduktor netral seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, berbentuk silinder, pembawa muatan bergerak secara acak ke segala arah. Di dalam konduktor, menurut jenis bahan pembuatannya, akan ada n pembawa muatan per satuan volume. N ini jangan disamakan dengan vektor normal yang tegak lurus dengan permukaan konduksi.

Sepotong konduktor silinder menunjukkan pembawa arus bergerak ke arah yang berbeda. Sumber: buatan sendiri.

Model bahan konduktor yang diusulkan terdiri dari kisi ionik tetap dan gas elektron, yang merupakan pembawa arus, meskipun di sini ditunjukkan dengan tanda +, karena ini adalah ketentuan arus.

Apa yang terjadi jika konduktor dihubungkan ke baterai?

Kemudian perbedaan potensial terbentuk antara ujung-ujung konduktor, berkat sumber yang bertanggung jawab untuk melakukan pekerjaan itu: baterai.

Sirkuit sederhana menunjukkan baterai yang melalui kabel konduktif menyalakan bola lampu. Sumber: buatan sendiri.

Berkat perbedaan potensial ini, pembawa saat ini berakselerasi dan berbaris dengan cara yang lebih teratur daripada ketika materialnya netral. Dengan cara ini dia bisa menyalakan bohlam sirkuit yang ditunjukkan.

Dalam hal ini, medan listrik telah dibuat di dalam konduktor yang mempercepat elektron. Tentu saja, jalur mereka tidak bebas: terlepas dari kenyataan bahwa elektron memiliki percepatan, saat bertabrakan dengan kisi kristal, mereka melepaskan sebagian energinya dan tersebar sepanjang waktu. Hasil keseluruhannya adalah mereka bergerak sedikit lebih teratur di dalam materi, tetapi kemajuan mereka pasti sangat kecil.

Saat mereka bertabrakan dengan kisi kristal, mereka mengaturnya untuk bergetar, mengakibatkan pemanasan konduktor. Ini adalah efek yang mudah diketahui: kabel konduktif menjadi panas saat dilewatkan arus listrik.

Kecepatan merangkak

Pembawa arus sekarang memiliki gerakan global searah dengan medan listrik. Kecepatan global yang mereka miliki disebut kecepatan drag atau kecepatan melayang dan disimbolkan sebagai v _d .

Setelah perbedaan potensial terbentuk, operator saat ini memiliki pergerakan yang lebih teratur. Sumber: buatan sendiri.

Ini dapat dihitung dengan beberapa pertimbangan sederhana: jarak yang ditempuh di dalam konduktor oleh setiap partikel, dalam selang waktu dt adalah v _d . dt. Seperti yang dinyatakan sebelumnya, ada n partikel per satuan volume, volume adalah hasil kali luas penampang A dan jarak yang ditempuh:

Jika setiap partikel bermuatan q, berapakah muatan dQ yang melewati area A dalam selang waktu dt?:

Arus sesaat hanya dQ / dt, oleh karena itu:

Ketika muatan positif, v _d adalah dalam arah yang sama dengan E dan J . Jika muatan negatif, v _d berlawanan dengan medan E , namun J dan E tetap searah. Di sisi lain, meskipun arusnya sama di seluruh rangkaian, kepadatan arus tidak selalu tidak berubah. Misalnya, ini lebih kecil di baterai, yang luas penampang lebih besar daripada di kabel konduktor yang lebih tipis.

Konduktivitas suatu material

Dapat diperkirakan bahwa pembawa muatan yang bergerak di dalam konduktor dan terus bertabrakan dengan kisi kristal, menghadapi gaya yang berlawanan dengan gerak maju mereka, semacam gaya gesekan atau disipatif F _d yang sebanding dengan kecepatan rata-rata itu. membawa, yaitu kecepatan seret:

F _d ∝ v

F _d = α. v _d

Ini adalah model Drude-Lorentz, dibuat pada awal abad ke-20 untuk menjelaskan pergerakan pembawa arus di dalam konduktor. Itu tidak memperhitungkan efek kuantum. α adalah konstanta proporsionalitas yang nilainya sesuai dengan karakteristik bahan.

Jika kecepatan drag konstan, jumlah gaya yang bekerja pada pembawa arus adalah nol. Gaya lainnya adalah yang diberikan oleh medan listrik, yang besarnya Fe = qE:

Kecepatan entrainment dapat dinyatakan dalam rapat arus, jika diselesaikan dengan benar:

Dari mana:

Konstanta n, q dan α dikelompokkan dalam satu panggilan σ, sehingga diperoleh:

Hukum Ohm

Massa jenis arus berbanding lurus dengan medan listrik yang terbentuk di dalam konduktor. Hasil ini dikenal sebagai hukum Ohm dalam bentuk mikroskopis atau hukum Ohm lokal.

Nilai σ = nq ² / α adalah konstanta yang bergantung pada material. Ini tentang konduktivitas listrik atau hanya konduktivitas. Nilainya ditabulasikan untuk banyak material dan satuannya dalam Sistem Internasional adalah amp / volt x meter (A / Vm), meskipun ada satuan lain, misalnya S / m (siemens per meter).

Tidak semua materi mematuhi hukum ini. Yang dikenal sebagai bahan ohmik.

Dalam zat dengan konduktivitas tinggi, mudah untuk membentuk medan listrik, sedangkan zat dengan konduktivitas rendah membutuhkan lebih banyak pekerjaan. Contoh bahan dengan konduktivitas tinggi adalah: graphene, perak, tembaga dan emas.

Contoh Penerapan

Contoh -Resolved 1

Tentukan kecepatan drag elektron bebas pada kabel tembaga dengan luas penampang 2 mm ² ketika arus 3 A. Tembaga memiliki 1 elektron konduksi untuk setiap atom.

Data: bilangan Avogadro = 6.023 10 ²³ partikel per mol; muatan elektron -1,6 x 10 ^-19 C; kepadatan tembaga 8960 kg / m ³ ; berat molekul tembaga: 63,55 g / mol.

Larutan

Dari J = qnv _d besarnya kecepatan drag dihapus:

Kenapa lampu langsung menyala?

Kecepatan ini ternyata sangat kecil, tetapi harus diingat bahwa pengangkut kargo terus bertabrakan dan memantul di dalam pengemudi, sehingga mereka tidak diharapkan untuk melaju terlalu cepat. Misalnya, diperlukan satu elektron untuk beralih dari aki mobil ke bohlam lampu depan.

Untungnya, Anda tidak perlu menunggu lama untuk menyalakan lampu. Satu elektron dalam baterai dengan cepat mendorong elektron lainnya ke dalam konduktor, dan dengan demikian medan listrik terbentuk dengan sangat cepat karena merupakan gelombang elektromagnetik. Ini adalah gangguan yang merambat di dalam kabel.

Elektron berhasil melompat dengan kecepatan cahaya dari satu atom ke atom yang berdekatan dan arus mulai mengalir dengan cara yang sama seperti air melalui selang. Tetesan di awal selang tidak sama dengan di outlet, tapi masih berupa air.

- Contoh yang dikerjakan 2

Gambar menunjukkan dua kabel yang terhubung, terbuat dari bahan yang sama. Arus yang masuk dari kiri ke bagian tertipis adalah 2 A. Di sana kecepatan entrainment elektron adalah 8,2 x 10 ^-4 m / s. Dengan asumsi bahwa nilai arus tetap, tentukan kecepatan entrainment elektron di bagian sebelah kanan, dalam m / s.

Larutan

Pada bagian tertipis: J ₁ = nq v _d1 = I / A ₁

Dan pada bagian yang paling tebal: J ₂ = nq v _d2 = I / A ₂

Arusnya sama untuk kedua ruas, begitu pula n dan q, oleh karena itu:

Referensi

1. Resnick, R. 1992. Fisika. Edisi perluasan ketiga dalam bahasa Spanyol. Volume 2. Editorial Compañía Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14 ^th . Ed. Volume 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fisika untuk Sains dan Teknik dengan Fisika Modern. Edisi ke-7. Volume 2. Pembelajaran Cengage. 752-775.
4. Universitas Sevilla. Jurusan Fisika Terapan III. Massa jenis dan intensitas arus. Diperoleh dari: us.es
5. Walker, J. 2008. Fisika. Edisi ke-4 Pearson.725-728.