Numărul de sarcini libere dintr-un conductor și viteza de derivă a acestor sarcini sunt concepte fundamentale pentru înțelegerea curentului electric. În textul de față vom utiliza informațiile din scanarea furnizată pentru a construi o prezentare cât mai detaliată și coezivă, păstrând însă textul exact al propozițiilor originale, pe care le vom reordona pentru fluiditatea explicației. Astfel, vom explica relațiile dintre densitatea sarcinilor libere, curent, aria secțiunii transversale a firului și viteza de derivă, precum și implicațiile practice în practică.
Ideea centrală: curentul ca flux de sarcini libere
Atunci când electronii se mișcă printr-un fir conductor, ei nu se mișcă cu o viteză constantă; mai degrabă, ei interacționează și se ciocnesc cu atomii și alți electroni liberi din conductor. Astfel, electronii se mișcă în zig-zag și se deplasează prin fir. De asemenea, ar trebui să remarcăm că, deși este convenabil să discutăm despre direcția curentului, curentul este o mărime scalară. Când discutăm despre viteza sarcinilor într-un curent, este mai potrivit să discutăm despre densitatea curentului.
Viteza de derivă (v⃗d) este viteza medie a sarcinilor libere. Viteza de derivă este destul de mică, deoarece există multe sarcini libere. Dacă avem o estimare a densității electronilor liberi într-un conductor, putem calcula viteza de derivă pentru un curent dat. Viteza medie a sarcinilor libere se numește viteza de derivă v⃗d, iar pentru electroni este în direcția opusă câmpului electric.
Modelul fizic: densitatea sarcinilor, aria firului și curentul
Numărul de sarcini libere pe unitatea de volum sau densitatea numărului de sarcini libere este dat de simbolul n, unde n = numărul de sarcini/volum. Segmentul umbrit are un volum Avddt, astfel încât numărul de sarcini libere din volum este nAvddt. Sarcina dQ în acest segment este astfel qnAvddt, unde q este cantitatea de sarcină pe fiecare purtător. Unde vd este viteza de derivă, n este densitatea de sarcină liberă, A este aria secțiunii transversale a firului și I este curentul prin fir.
Calitatea conductoarelor bune: Conductorii buni au un număr mare de sarcini libere. În metale, sarcinile libere sunt electroni liberi. (De fapt, conductorii electrici buni sunt adesea și buni conductori de căldură, deoarece un număr mare de electroni liberi pot transporta energie termică și pot transporta curent electric.)
Diametrul firului determină capacitatea de purtare a curentului - cu cât diametrul este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea de purtare a curentului. Chiar și în cazul când capacitatea de purtare a curentului este determinată de diametru, firul nu este în mod normal caracterizat direct de diametru. În schimb, firul este vândut în mod obișnuit într-o unitate cunoscută sub numele de „gage” (calibru). Firele sunt fabricate prin trecerea materialului prin forme circulare numite „moare de tragere”.
Calcul practic pentru viteza de derivă: exemplu cu cupru
Calculați viteza de deplasare a electronilor într-un fir de cupru cu un diametru de 2,053 mm (calibru 12) care transportă un curent de 20,0 A, având în vedere că există un electron liber per atom de cupru. Putem calcula viteza de derivă folosind ecuația I = nqAvd. Curentul este I = 20,00 A și q = 1,60 × 10−19 C este sarcina unui electron. Putem calcula aria unei secțiuni transversale a firului folosind formula A = πr^2, unde r este jumătate din diametru. Diametrul dat este de 2,053 mm, deci r este de 1,0265 mm.
Ni se dă densitatea cuprului, 8,80 × 10^22 electroni/cm^3. În Exemplul 9.4, viteza de derivă a fost calculată pentru un fir de cupru cu diametrul de 2,053 mm (calibrul 12) care transportă un curent de 20 de amperi. Putem calcula densitatea electronilor liberi în cupru. Există un electron liber per atom de cupru. Prin urmare, numărul de electroni liberi este același cu numărul de atomi de cupru pe m^3.
Semnul minus indică faptul că sarcinile negative se mișcă în direcția opusă curentului convențional. În exemplul dat, viteza de derivă poate fi estimată astfel încât să satisfacă relația I = nqAvd, cu n, q, A și I cunoscute sau determinate. Astfel, viteza de derivă este o mărime caracteristică, dar nu reprezintă toate aspectele mișcării electronice într-un conductor.
Relația dintre curent, densitatea de sarcină și aria secțiunii
Diametrul firului determină capacitatea de purtare a curentului; cu cât diametrul este mai mare, cu atât poate purta mai mult curent. Cineva poate verifica această relație prin măsurarea calibrului și a curentului, iar în practică se ia în considerare aria secțiunii transversale A în calculul I = nqAvd.
Despre mișcarea electronilor: direcția curentului și turbulența mișcării
Câmpul electric din conductor accelerează electronii liberi, iar în timp electronii se ciocnesc cu alți electroni și cu atomii din rețea. Aceasta generează energie termică și încălzire în conductor. Lucrul mecanic este transferat atomilor conductorului, adesea crescând temperatura. Astfel, este necesară o intrare de putere continuă pentru a menține un curent care curge. Supraconductorii reprezintă o excepție în care curentul poate persista fără o sursă continuă de energie, dar despre acestea vom vorbi într-un capitol ulterior.
Normalizarea și exemplificarea cu un bec incandescent
Pentru un conductor care nu este supraconductor, furnizarea de energie poate fi utilă, precum într-un filament de bec incandescent. În schema clasică, un filament de wolfram este plasat într-un balon de sticlă parțial vidat, iar curentul trece prin filament, încălzindu-l până se luminează. Deși becurile nu sunt foarte eficiente energetic, acestea oferă o imagine clară despre fenomenul producției de energie termică prin curent.
Conexiuni practice: calculul vitezei de derivă cu datele reale
Un exemplu util implică calcularea ariei A și a masei atomoice în scopul determinării densității electronilor liberi. În lista de referințe, există parametri precum densitatea cuprului 8,80 × 10^22 electroni/cm^3 și masa atomică a cuprului 63,54 g/mol. Pe baza acestor valori, se poate determina numărul de electroni liberi pe volum și, ulterior, viteza de derivă pentru curentul dat.
Într-un fir de cupru cu diametrul de 2,053 mm (calibru 12) care transportă 20 A, aria secțiunii este A = πr^2 cu r = 1,0265 mm. Convertind corespunzător unitățile, se poate obține vd din I = nqAvd. Rețineți însă că, deși viteza de derivă poate fi estimată, viteza reală a electronilor individuali poate varia în funcție de numeroși factori, inclusiv frecția ciocnirilor și variabilitatea densității electronice locale.
Elemente istorice despre calibration și cablaj
Diametrul firului determină capacitatea de purtare a curentului; cu cât calibrul este mai mic (fir mai gros), cu atât curentul poate fi mai mare. În Statele Unite, American Wire Gauge (AWG) a fost dezvoltat pentru a standardiza sistemul. Cablajul de uz casnic constă în mod obișnuit din fire de calibru de la 10 (2,588 mm diametru) la 14 (diametru de 1,628 mm).
tags: #sa #se #calculeze #numarul #de #sarcini
Postări populare:
- Simptomele și diagnosticul radiologic al distensiei aerice a flexurilor coli
- cum să te îngrijești corect după operația de cezariană
- cum să provoci ciclul menstrual în siguranță
- Astfel alegem: consiliere pentru decizia privind continuarea sau întreruperea sarcinii
- Recenzii ale lotiunii cu placenta pentru par degradat: efecte si rezultate