AKIM YOĞUNLUĞU: ELEKTRIK ILETIMI VE ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Bir iletken aracılığıyla birim alan başına akım miktarına akım yoğunluğu denir . Bu bir vektör miktarıdır ve modülü, iletkenin kesitinden geçen anlık akım I ile S alanı arasındaki bölümle verilir, böylece:

A / m: böyle Bahsedilen akım yoğunluğu vektörü için Uluslararası Sistemde birim metre kare başına amper olarak ² . Vektör biçiminde, akım yoğunluğu:

Mevcut yoğunluk vektörü. Kaynak: Wikimedia Commons.

Akım yoğunluğu ve akım yoğunluğu ilişkilidir, ancak ilki bir vektördür ve ikincisi değildir. Akım, büyüklüğü ve anlamı olmasına rağmen bir vektör değildir, çünkü uzayda tercihli bir yöne sahip olmak kavramı oluşturmak için gerekli değildir.

Oysa iletkenin içinde oluşan elektrik alanı bir vektördür ve akımla ilgilidir. Sezgisel olarak, akım da daha güçlü olduğunda alanın daha güçlü olduğu anlaşılır, ancak iletkenin enine kesit alanı da bu konuda belirleyici bir rol oynar.

Elektrik iletim modeli

Şekil 3'te gösterildiği gibi, silindir şeklinde olan nötr iletken bir tel parçasında, yük taşıyıcılar herhangi bir yönde rastgele hareket eder. İletkenin içinde yapıldığı maddenin cinsine göre birim hacim başına n adet yük taşıyıcı olacaktır. Bu n, iletken yüzeye dik olan normal vektör ile karıştırılmamalıdır.

Bir silindirik iletken parçası, farklı yönlerde hareket eden akım taşıyıcılarını gösterir. Kaynak: kendi kendine.

Önerilen iletken malzeme modeli, sabit bir iyonik kafes ve burada bir + işaretiyle temsil edilmelerine rağmen akım taşıyıcıları olan bir elektron gazından oluşur, çünkü bu akım için bir konvansiyondur.

İletken bir aküye bağlandığında ne olur?

Ardından, işi yapmaktan sorumlu bir kaynak olan pil sayesinde iletkenin uçları arasında potansiyel bir fark oluşturulur.

Basit bir devre, iletken teller aracılığıyla bir ampulü yakan bir pili gösterir. Kaynak: kendi kendine.

Bu potansiyel fark sayesinde, mevcut taşıyıcılar, malzemenin nötr olduğu zamandan daha düzenli bir şekilde hızlanır ve ilerler. Bu şekilde gösterilen devrenin ampulünü açabilir.

Bu durumda, iletkenin içinde elektronları hızlandıran bir elektrik alanı oluşturulmuştur. Elbette, yolları özgür değildir: Elektronların ivmesi olmasına rağmen, kristal örgü ile çarpıştıklarında enerjilerinin bir kısmını bırakırlar ve her zaman dağılırlar. Genel sonuç, malzeme içinde biraz daha düzenli hareket etmeleridir, ancak ilerlemeleri kesinlikle çok azdır.

Kristal örgü ile çarpıştıklarında, onu titreştirmeye ayarlarlar ve bu da iletkenin ısınmasına neden olur. Bu, kolayca fark edilebilen bir etkidir: iletken teller, bir elektrik akımıyla geçerken ısınır.

Tarama hızı

Şu anki taşıyıcılar artık elektrik alanla aynı yönde küresel bir harekete sahiptir. Sahip oldukları bu küresel hıza sürükleme hızı veya sürüklenme hızı denir ve v _d olarak sembolize edilir .

Potansiyel bir fark oluşturulduktan sonra, mevcut taşıyıcılar daha düzenli bir harekete sahip olur. Kaynak: kendi kendine.

Bazı basit düşüncelerle hesaplanabilir: dt v _d zaman aralığında her partikül tarafından iletken içinde kat edilen mesafe . dt. Daha önce belirtildiği gibi, birim hacim başına n tane parçacık vardır, hacim A kesit alanı ve kat edilen mesafenin çarpımıdır:

Her parçacığın yükü q varsa, dt zaman aralığında alan A'dan ne kadar yük dQ geçer?

Anlık akım sadece dQ / dt'dir, bu nedenle:

Yük pozitif olduğunda, v _d , E ve J ile aynı yöndedir . Yük negatifse, v _d , E alanının karşısındadır , ancak J ve E hala aynı yöndedir. Öte yandan, akım devre boyunca aynı olmasına rağmen, akım yoğunluğunun mutlaka değişmeden kalması gerekmez. Örneğin, enine kesit alanı daha ince iletken tellere göre daha büyük olan pilde daha küçüktür.

Bir malzemenin iletkenliği

İletkenin içinde hareket eden ve kristal örgü ile sürekli olarak çarpışan yük taşıyıcıların, ilerlemelerine karşı gelen bir kuvvetle , ortalama hız ile orantılı olan bir tür sürtünme veya dağıtma kuvveti F _{d ile karşı} karşıya olduğu düşünülebilir. taşıma, yani sürükleme hızı:

F _d ∝ v

F _d = α. v _d

Akım taşıyıcılarının bir iletken içindeki hareketini açıklamak için 20. yüzyılın başında oluşturulan Drude-Lorentz modelidir. Kuantum etkilerini hesaba katmaz. α, değeri malzemenin özelliklerine uygun olan orantılılık sabitidir.

Sürtünme hızı sabitse, mevcut bir taşıyıcıya etki eden kuvvetlerin toplamı sıfırdır. Diğer kuvvet, büyüklüğü Fe = qE olan elektrik alan tarafından uygulanan kuvvettir:

Doğru çözülürse, sürüklenme hızı akım yoğunluğu cinsinden ifade edilebilir:

Nereden:

N, q ve α sabitleri tek bir σ çağrısında gruplanır, böylece sonunda şunu elde ederiz:

Ohm kanunu

Akım yoğunluğu, iletkenin içinde oluşturulan elektrik alanıyla doğru orantılıdır. Bu sonuç, mikroskobik formdaki Ohm yasası veya yerel Ohm yasası olarak bilinir.

Σ = nq ² / α değeri, malzemeye bağlı bir sabittir. Elektriksel iletkenlik veya basitçe iletkenlik ile ilgilidir. Değerleri birçok malzeme için tablo halinde verilmiştir ve Uluslararası Sistemdeki birimleri amper / volt x metre (A / Vm) olmakla birlikte, örneğin S / m (metre başına siemen) gibi başka birimler de vardır.

Tüm malzemeler bu yasaya uygun değildir. Yapanlar omik malzemeler olarak bilinir.

Yüksek iletkenliğe sahip bir maddede bir elektrik alanı oluşturmak kolaydır, düşük iletkenliğe sahip bir başka maddede ise daha fazla iş gerektirir. Yüksek iletkenliğe sahip malzeme örnekleri şunlardır: grafen, gümüş, bakır ve altın.

Uygulama örnekleri

Çözülmüş örnek 1

İçinden 3 A akım geçtiğinde 2 mm ² kesit alanı olan bir bakır teldeki serbest elektronların sürüklenme hızını bulun.Bakır her atom için 1 iletim elektronuna sahiptir.

Veriler: Avogadro'nun sayısı = mol başına 6.023 10 ²³ parçacık; elektron yükü -1,6 x ^10-19 C; bakır yoğunluğu 8960 kg / ³ ; bakırın moleküler ağırlığı: 63.55 g / mol.

Çözüm

J = qnv _d'den sürükleme hızının büyüklüğü temizlenir:

Işıklar nasıl anında yanar?

Bu hız şaşırtıcı derecede düşüktür, ancak kargo taşıyıcılarının sürücü içinde sürekli olarak çarpıştığını ve zıpladığını unutmamalısınız, bu nedenle çok hızlı gitmeleri beklenmez. Örneğin, bir elektronun araba aküsünden far ampulüne gitmesi yaklaşık bir saat sürebilir.

Neyse ki ışıkları yakmak için o kadar uzun süre beklemenize gerek yok. Bataryadaki bir elektron, diğerlerini hızlı bir şekilde iletkenin içine iter ve böylece elektrik alanı elektromanyetik bir dalga olduğu için çok hızlı bir şekilde kurulur. Telin içinde yayılan rahatsızlıktır.

Elektronlar, bir atomdan bitişik olana ışık hızında atlamayı başarır ve akım, suyun bir hortum boyunca yaptığı gibi akmaya başlar. Hortumun başındaki damlalar, çıkıştaki ile aynı değildir, ancak hala sudur.

- Çalışılan örnek 2

Şekil, aynı malzemeden yapılmış iki bağlı kabloyu göstermektedir. Soldan en ince kısma giren akım 2 A'dır. Burada elektronların sürüklenme hızı 8,2 x 10 ^-4 m / s'dir. Akımın değerinin sabit kaldığını varsayarsak, sağ taraftaki elektronların sürüklenme hızını m / s cinsinden bulunuz.

Çözüm

En ince kısımda: J ₁ = nq v _d1 = I / A ₁

Ve en kalın bölümde: J ₂ = nq v _d2 = I / A ₂

Akım, her iki bölüm için ve n ve q için aynıdır, bu nedenle:

Referanslar

1. Resnick, R. 1992. Physics. İspanyolca üçüncü genişletilmiş baskı. Cilt 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Modern Fizikle Üniversite Fiziği. 14 ^inci . Ed. Cilt 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Modern Fizik ile Bilim ve Mühendislik için Fizik. 7. Baskı. Cilt 2. Kafes Öğrenimi. 752-775.
4. Sevilla Üniversitesi. Uygulamalı Fizik Bölümü III. Akımın yoğunluğu ve yoğunluğu. US.es'den kurtarıldı
5. Walker, J. 2008. Physics. 4. Baskı Pearson.725-728.