Ini disebut arus kerapatan untuk 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 luasnya S, sehingga:
Satuan dalam Sistem Internasional untuk vektor kerapatan arus adalah amp per meter persegi: A / m 2 . Dalam bentuk vektor rapat arus adalah:
Kerapatan arus dan intensitas arus terkait, meskipun yang pertama adalah vektor dan yang terakhir tidak. Arus bukanlah vektor meskipun memiliki besar dan makna, karena memiliki arah preferensial dalam ruang tidak diperlukan untuk menetapkan konsep.
Namun, medan listrik yang terbentuk di dalam konduktor adalah vektor, dan ini terkait dengan arus. Secara intuitif dipahami bahwa medan lebih kuat ketika arus juga lebih kuat, tetapi luas penampang konduktor juga memainkan peran yang menentukan dalam hal ini.
Model konduksi listrik
Dalam sepotong kawat konduktif netral seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, berbentuk silinder, pembawa muatan bergerak secara acak ke segala arah. Di dalam konduktor, menurut jenis zat yang membuatnya, akan ada n pembawa muatan per satuan volume . N ini tidak boleh dikacaukan dengan vektor normal yang tegak lurus terhadap permukaan konduktor.
Sepotong konduktor silinder menunjukkan pembawa arus bergerak ke arah yang berbeda. Sumber: buatan sendiri.
Model bahan konduktif yang diusulkan terdiri dari kisi ion tetap dan gas elektron, yang merupakan pembawa arus, meskipun mereka diwakili di sini dengan tanda +, karena ini adalah konvensi untuk arus.
Apa yang terjadi jika konduktor dihubungkan ke baterai?
Kemudian perbedaan potensial terbentuk antara ujung konduktor, berkat sumber yang bertanggung jawab untuk melakukan pekerjaan: baterai.
Rangkaian 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 saat material netral. Dengan cara ini dia dapat menyalakan bohlam dari rangkaian 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, ketika mereka bertabrakan dengan kisi kristal, mereka melepaskan sebagian energinya dan menyebar sepanjang waktu. Hasil keseluruhannya adalah mereka bergerak sedikit lebih teratur dalam materi, tetapi kemajuan mereka tentu saja sangat sedikit.
Saat mereka bertabrakan dengan kisi kristal mereka mengaturnya untuk bergetar, menghasilkan pemanasan konduktor. Ini adalah efek yang mudah diperhatikan: kabel konduktif memanas ketika dilintasi oleh arus listrik.
Kecepatan entrainment v d dan rapat arus
Pembawa arus sekarang memiliki gerakan global dalam arah yang sama dengan medan listrik. Kecepatan global yang mereka miliki disebut kecepatan drag atau kecepatan drift dan dilambangkan sebagai v d .
Setelah perbedaan potensial ditetapkan, pembawa saat ini memiliki gerakan 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 produk dari luas penampang A dan jarak yang ditempuh:
V = Av d dt
Jika setiap partikel bermuatan q, berapakah jumlah muatan dQ yang melewati luas A dalam selang waktu dt ?:
dQ = qn Av d dt
Arus sesaat hanya dQ / dt, oleh karena itu:
J = qnv d
Ketika muatan positif, v d searah dengan E dan J . Jika muatannya negatif, v d berlawanan dengan medan E , tetapi J dan E masih memiliki arah yang sama. Di sisi lain, meskipun arusnya sama di seluruh rangkaian, kerapatan arus tidak harus tetap tidak berubah. Misalnya, lebih kecil di baterai, yang luas penampangnya lebih besar daripada di kabel konduktor yang lebih tipis.
Konduktivitas suatu bahan
Dapat dianggap bahwa pembawa muatan yang bergerak di dalam konduktor dan terus menerus bertabrakan dengan kisi kristal, menghadapi gaya yang melawan gerak maju mereka, semacam gaya gesekan atau disipatif F d yang sebanding dengan kecepatan rata-rata yang dibawa, yaitu, kecepatan tarik:
F d α v
F d =. 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. adalah konstanta proporsionalitas, yang nilainya sesuai dengan ciri-ciri bahan.
Jika kecepatan drag konstan, jumlah gaya yang bekerja pada pembawa arus adalah nol. Gaya lain adalah yang diberikan oleh medan listrik, yang besarnya Fe = qE :
qE – . v d = 0
Kecepatan entrainment dapat dinyatakan dalam kerapatan arus, jika diselesaikan dengan benar:
Darimana:
J = nq 2 E /
Konstanta n, q dan dikelompokkan dalam satu panggilan, sehingga akhirnya diperoleh:
J = E
Hukum Ohm
Kepadatan 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 = nq 2 / adalah konstanta yang bergantung pada bahannya. Ini tentang konduktivitas listrik atau hanya konduktivitas. Nilainya ditabulasikan untuk banyak bahan dan satuannya dalam Sistem Internasional adalah amp / volt x meter (A / Vm), meskipun ada satuan lain, misalnya S / m (siemens per meter).
Tidak semua bahan mematuhi undang-undang ini. Mereka yang melakukannya dikenal sebagai bahan ohmik.
Dalam zat dengan konduktivitas tinggi mudah untuk membangun medan listrik, sementara di lain dengan konduktivitas rendah membutuhkan lebih banyak pekerjaan. Contoh bahan dengan konduktivitas tinggi adalah: graphene, perak, tembaga dan emas.
Contoh kegunaan
-Contoh terselesaikan 1
Temukan kecepatan tarik elektron bebas dalam kawat tembaga dengan luas penampang 2 mm 2 ketika arus 3 A melewatinya. 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.
Penyelesaian
Dari J = qnv d besarnya kecepatan geser:
Kecepatan ini sangat kecil, tetapi harus diingat bahwa pengangkut kargo terus-menerus bertabrakan dan memantul di dalam pengemudi, sehingga mereka tidak diharapkan untuk melaju terlalu cepat. Mungkin dibutuhkan elektron hampir satu jam untuk berpindah dari aki mobil ke bohlam lampu depan misalnya.
Untungnya, Anda tidak perlu menunggu lama untuk menyalakan lampu. Sebuah elektron dalam baterai dengan cepat mendorong yang lain ke dalam konduktor, dan dengan demikian medan listrik terbentuk dengan sangat cepat karena merupakan gelombang elektromagnetik. Ini adalah gangguan yang merambat di dalam kawat.
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, tetapi masih air.
–Contoh terselesaikan 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 konstan, temukan kecepatan entrainment elektron di bagian kanan, dalam m / s.
Penyelesaian
Di bagian tertipis: J 1 = nq v d1 = I / A 1
Dan pada bagian yang paling tebal : J 2 = nq v d2 = I / A 2
Arus adalah sama untuk kedua bagian, serta n dan q , oleh karena itu:
Referensi
- Resnick, R. 1992. Fisika. Edisi ketiga yang diperluas dalam bahasa Spanyol. Volume 2. Editorial Compañía Continental SA de CV
- Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14 th . Edisi Volume 2. 817-820.
- Serway, R., Jewett, J. 2009. Fisika untuk Sains dan Teknik dengan Fisika Modern. Edisi ke-7. Jilid 2. Libatkan Pembelajaran. 752-775.
- Universitas Sevilla. Jurusan Fisika Terapan III. Kepadatan dan intensitas arus. Dipulihkan dari: us.es
- Walker, J. 2008. Fisika. Edisi ke-4 Pearson.725-728.