9.A: Sasa na Upinzani (Majibu)
- Page ID
- 176172
Angalia Uelewa Wako
9.1. Wakati wa 1.00 C ya malipo ya mtiririko itakuwa\(\displaystyle Δt=\frac{ΔQ}{I}=\frac{1.00C}{0.300×10^{−3}C/s}=3.33×10^3s\), kidogo chini ya saa. Hii ni tofauti kabisa na 5.55 ms kwa betri ya lori. Calculator inachukua kiasi kidogo sana cha nishati ya kufanya kazi, tofauti na motor starter ya lori. Kuna sababu kadhaa ambazo magari hutumia betri na sio seli za jua. Mbali na ukweli dhahiri kwamba chanzo cha mwanga cha kuendesha seli za jua kwa gari au lori haipatikani kila wakati, kiasi kikubwa cha sasa kinachohitajika ili kuanza inji hakiwezi kutolewa kwa urahisi na seli za jua za sasa za leo. Seli za jua zinaweza kutumika kwa malipo ya betri. Kuchaji betri kunahitaji kiasi kidogo cha nishati ikilinganishwa na nishati inayotakiwa kuendesha inji na vifaa vingine kama vile heater na kiyoyozi. Siku ya sasa magari ya nishati ya jua yanatumiwa na paneli za jua, ambazo zinaweza kuimarisha magari ya umeme, badala ya inji ya mwako ndani.
9.2. Jumla ya sasa inahitajika na vifaa vyote katika chumba cha kulala (taa chache, televisheni, na kompyuta yako ya mbali) huchota chini ya sasa na inahitaji nguvu kidogo kuliko friji.
9.3. Kipenyo cha waya ya kupima 14 ni ndogo kuliko ukubwa wa waya wa kupima 12. Kwa kuwa kasi ya drift inafanana na eneo la msalaba, kasi ya drift katika waya ya kupima 14 ni kubwa kuliko kasi ya drift katika waya ya kupima 12 inayobeba sasa sawa. Idadi ya elektroni kwa kila mita ya ujazo itabaki mara kwa mara.
9.4. Uzito wa sasa katika waya unaoendesha huongezeka kutokana na ongezeko la sasa. Kasi ya drift ni inversely sawia na sasa (\(\displaystyle v_d=\frac{I}{nqA}\)), hivyo kasi ya drift itapungua.
9.5. Fedha, dhahabu, na alumini zote hutumiwa kufanya waya. Vifaa vyote vinne vina conductivity ya juu, fedha yenye juu zaidi. Zote nne zinaweza kupatikana kwa urahisi ndani ya waya na kuwa na nguvu kubwa ya kukimbia, ingawa sio juu kama shaba. Hasara dhahiri ya dhahabu na fedha ni gharama, lakini waya za fedha na dhahabu hutumiwa kwa matumizi maalum, kama vile waya za msemaji. Dhahabu haina oxidize, na kufanya uhusiano bora kati ya vipengele. Wiring za alumini zina vikwazo vyao. Aluminium ina resistivity ya juu kuliko shaba, hivyo kipenyo kikubwa kinahitajika ili kufanana na upinzani kwa urefu wa waya za shaba, lakini alumini ni nafuu kuliko shaba, hivyo hii sio drawback kubwa. Waya wa alumini hawana nguvu ya juu ya ductility na nguvu kama shaba, lakini nguvu ya ductility na tensile ni ndani ya viwango vya kukubalika. Kuna masuala machache ambayo yanapaswa kushughulikiwa katika kutumia alumini na huduma lazima itumike wakati wa kufanya uhusiano. Aluminium ina kiwango cha juu cha upanuzi wa mafuta kuliko shaba, ambayo inaweza kusababisha uhusiano huru na hatari ya moto iwezekanavyo. Oxidation ya alumini haifanyi na inaweza kusababisha matatizo. Mbinu maalum zinapaswa kutumika wakati wa kutumia waya za alumini na vipengele, kama vile maduka ya umeme, lazima ziwe iliyoundwa kukubali waya za alumini.
9.6. Mfano wa foil unasimama kama kuunga mkono kunenea, na nyimbo za foil zinakuwa za muda mrefu na nyembamba. Kwa kuwa upinzani umehesabiwa kama\(\displaystyle R=ρ\frac{L}{A}\), upinzani huongezeka kama nyimbo za foil zimewekwa. Wakati joto linapobadilika, ndivyo resistivity ya nyimbo za foil, kubadilisha upinzani. Njia moja ya kupambana na hili ni kutumia viwango viwili vya aina, moja kutumika kama kumbukumbu na nyingine kutumika kupima matatizo. Vipimo viwili vya aina vinahifadhiwa kwenye joto la mara kwa mara
9.7. Urefu mrefu, upinzani mdogo. Zaidi ya resistivity, juu ya upinzani. Tofauti kubwa kati ya radius ya nje na radius ya ndani, yaani, uwiano mkubwa kati ya mbili, upinzani mkubwa. Ikiwa unajaribu kuongeza upinzani, uchaguzi wa maadili kwa vigezo hivi itategemea programu. Kwa mfano, ikiwa cable inapaswa kuwa rahisi, uchaguzi wa vifaa unaweza kuwa mdogo.
9.8. Ndiyo, sheria ya Ohm bado halali. Katika kila hatua kwa wakati sasa ni sawa na I (t) =V (t) /RI (t) =V (t) /R, hivyo sasa pia ni kazi ya wakati,\(\displaystyle I(t)=\frac{V_{max}}{R}sin(2πft)\).
9.9. Ingawa motors umeme ni ufanisi sana 10— 20% ya nguvu zinazotumiwa ni kupita, si kutumika kwa ajili ya kufanya kazi muhimu. Wengi wa 10— 20% ya nguvu waliopotea huhamishiwa kwenye joto lililopotea na waya za shaba zinazotumiwa kufanya coils za magari. Joto hili linaongeza joto la mazingira na kuongeza mahitaji ya mitambo ya nguvu kutoa nguvu. Mahitaji ya mmea wa nguvu yanaweza kusababisha kuongezeka kwa gesi za chafu, hasa kama mmea wa nguvu unatumia makaa ya mawe au gesi kama mafuta.
9.10. Hapana, ufanisi ni kuzingatia muhimu sana kwa balbu za mwanga, lakini kuna mambo mengine mengi. Kama ilivyoelezwa hapo juu, gharama ya balbu na muda wa maisha ya balbu ni mambo muhimu. Kwa mfano, balbu za CFL zina zebaki, neurotoxin, na zinapaswa kutengwa kama taka ya hatari. Wakati wa kuchukua balbu za incandescent ambazo zinasimamiwa na kubadili dimmer na LED, kubadili dimmer kunaweza kuhitaji kubadilishwa. Switches ya dimmer kwa taa za LED ni sawa na bei kwa swichi za mwanga za incandescent, lakini hii ni gharama ya awali ambayo inapaswa kuchukuliwa. Wigo wa mwanga unapaswa pia kuchukuliwa, lakini kuna aina mbalimbali za joto la rangi zinazopatikana, hivyo unapaswa kupata moja inayofaa mahitaji yako. Hakuna mojawapo ya masuala haya yaliyotajwa yana maana ya kukata tamaa matumizi ya balbu za LED au CFL, lakini ni masuala.
Maswali ya dhana
1. Ikiwa waya inabeba sasa, mashtaka huingia waya kutoka kwenye terminal nzuri ya chanzo cha voltage na kuondoka kwenye terminal hasi, hivyo malipo ya jumla yanabaki sifuri wakati sasa inapita kwa njia hiyo.
3. Kutumia mkono mmoja utapunguza uwezekano wa “kukamilisha mzunguko” na kuwa na kukimbia sasa kupitia mwili wako, hasa sasa unaoendesha kupitia moyo wako.
5. Ingawa elektroni hugongana na atomi na elektroni nyingine kwenye waya, husafiri kutoka kwenye terminal hasi hadi kwenye terminal nzuri, hivyo huelekea katika mwelekeo mmoja. Molekuli ya gesi husafiri kwa njia ya random kabisa.
7. Katika miaka ya mwanzo ya balbu za mwanga, balbu huondolewa sehemu ili kupunguza kiasi cha joto kilichofanywa kupitia hewa kwenye bahasha ya kioo. Kusambaza joto ingekuwa baridi filament, kuongeza kiasi cha nishati inahitajika kuzalisha mwanga kutoka filament. Pia inalinda kioo kutokana na joto lililozalishwa kutoka kwa filament ya moto. Ikiwa glasi inapunguza, inakua, na inapofuta, inawasiliana. Upanuzi huu na contraction inaweza kusababisha kioo kuwa brittle na ufa, kupunguza maisha ya balbu. Balbu nyingi sasa zimejaa sehemu ya gesi ya inert. Pia ni muhimu kuondoa oksijeni ili kupunguza uwezekano wa filament kweli kuungua. Wakati filaments ya awali ilibadilishwa na filaments za ufanisi zaidi za tungsten, atomi kutoka kwa tungsten ingeweza kuenea kwenye filament kwenye joto la juu sana. Atomi hugongana na atomi za gesi ya inert na ardhi nyuma kwenye filament.
9. Katika kaboni, resistivity huongezeka kwa kiasi cha uchafu, maana ya mashtaka machache ya bure. Katika silicon na germanium, uchafu hupungua resistivity, maana ya elektroni zaidi ya bure.
11. Copper ina resistivity ya chini kuliko alumini, hivyo kama urefu ni sawa, shaba lazima iwe na kipenyo kidogo.
13. Kifaa B kinaonyesha uhusiano wa mstari na kifaa ni ohmic.
15. Ingawa waendeshaji wana upinzani mdogo, mistari kutoka kampuni ya nguvu inaweza kuwa kilomita kwa muda mrefu. Kutumia voltage high inapunguza sasa kwamba inahitajika ugavi mahitaji ya nguvu na kwamba inapunguza hasara line.
17. Kupinga ingekuwa overheat, labda kwa uhakika wa kusababisha resistor kuchoma. Fuses kawaida huongezwa kwa nyaya ili kuzuia ajali hizo.
19. Joto la chini sana linahitaji majokofu. Vifaa vingine vinahitaji nitrojeni kioevu ili kuzipunguza chini ya joto lao muhimu. Vifaa vingine vinaweza kuhitaji heliamu ya kioevu, ambayo ni ya gharama kubwa zaidi.
Matatizo
21. a\(\displaystyle v=4.38×10^5\frac{m}{s}\);.
b.\(\displaystyle Δq=5.00×10^{−3}C\), hakuna. ya protons=\(\displaystyle 3.13×10^{16}\)
23. \(\displaystyle I=\frac{ΔQ}{Δt},ΔQ=12.00C\), hakuna. ya elektroni=\(\displaystyle 7.46×10^{19}\)
25. \(\displaystyle I(t)=0.016\frac{C}{s^4}t^3−0.001\frac{C}{s}\)\(\displaystyle I(3.00s)=0.431A\)
27. \(\displaystyle I(t)=−I_{max}sin(ωt+ϕ)\)
29. \(\displaystyle |J|=15.92A/m^2\)
31. \(\displaystyle I=3.98×10^{−5} A\)
33. a\(\displaystyle |J|=7.60×10^5\frac{A}{m^2}\);.
b.\(\displaystyle v_d=5.60×10^{−5}\frac{m}{s}\)
35. \(\displaystyle R=6.750kΩ\)
37. \(\displaystyle R=0.10Ω\)
39. \(\displaystyle R=ρ\frac{L}{A}\);\(\displaystyle L=3cm\)
41. \(\displaystyle \frac{R_{Al}/L_{Al}}{R_{Cu}/L_{Cu}}\)\(\displaystyle =\frac{ρ_{Al}\frac{1}{π(\frac{D_{Al}}{2})^2}}{ρ_{Cu}\frac{1}{π(\frac{D_{Cu}}{2})^2}}\)\(\displaystyle =\frac{ρ_{Al}}{ρ_{Cu}}(\frac{D_{Cu}}{D_{Al}})^2=1\)\(\displaystyle ,\frac{D_{Al}}{D_{Cu}}=\sqrt{\frac{ρ_{AI}}{ρ_{Cu}}}\)
43. a\(\displaystyle R=R_0(1+αΔT),2=1+αΔT,ΔT=256.4°C,T=276.4°C\);.
b Katika hali ya kawaida, hakuna haipaswi kutokea.
45. \(\displaystyle R=R_0(1+αΔT)\)\(\displaystyle α=0.006°C^{−1}\), chuma
47. a.\(\displaystyle R=ρ\frac{L}{A},ρ=2.44×10^{−}8Ω⋅m\), dhahabu;\(\displaystyle R=ρ\frac{L}{A}(1+αΔT)\)
b.\(\displaystyle R=2.44×10^{−8}Ω⋅m(\frac{25m}{π(\frac{0.100×10^{−3}m}{2})^2})(1+0.0034°C^{−1}(150°C−20°C))R=112Ω\)
49. \(\displaystyle R_{Fe}=0.525Ω,R_{Cu}=0.500Ω,α_{Fe}=0.0065°C^{−1},α_{Cu}=0.0039°C^{−1},R_{Fe}=R_{Cu},R_{0Fe}(1+α_{Fe}(T−T_0))=R_{0Cu}(1+α_{Cu}(T−T_0)),\frac{R_{0Fe}}{R_{0Cu}}(1+α_{Fe}(T−T_0))=1+α_{Cu}(T−T_0),T=2.91°C\)
51. \(\displaystyle R_{min}=2.375×10^5Ω,I_{min}=12.63μA\)
\(\displaystyle R_{max}=2.625×10^5Ω,I_{max}=11.43μA\)
53. \(\displaystyle R = 100Ω\)
55. a\(\displaystyle I =2 mA\);.
b\(\displaystyle P =0.04 mW\);
c\(\displaystyle P = 0.04 mW\);
d Inabadilishwa kuwa joto.
57. \(\displaystyle P=\frac{V^2}{R},R=40Ω, A=2.08mm^2, ρ=100×10^{−8}Ω⋅m, R=ρ\frac{L}{A},L=83m\)
59. \(\displaystyle I=0.14A,V=14V\)
61. a.\(\displaystyle I≈3.00A+\frac{100W}{110V}+\frac{60W}{110V}+\frac{3.00W}{110V}=4.48A\)
\(\displaystyle P=493W\)
\(\displaystyle R=9.91Ω,\)
\(\displaystyle P_{loss}=200.W\)
\(\displaystyle %loss=40%\)
b.\(\displaystyle P=493W\)
\(\displaystyle I=0.0045A\)
\(\displaystyle R=9.91Ω\)
\(\displaystyle P_{loss}=201μW\)
\(\displaystyle %loss=0.00004%\)
63. \(\displaystyle R_{copper}=23.77Ω\)\(\displaystyle P=2.377×10^5W\)
65. \(\displaystyle R=R_0(1+α(T−T_0)\)
\(\displaystyle 0.82R_0=R_0(1+α(T−T_0)), 0.82=1−0.06(T−37°C),T=40°C\)
67. a\(\displaystyle R_{Au}=R_{Ag},ρ_{Au}\frac{L_{Au}}{A_{Au}}=ρ_{Ag}\frac{L_{Ag}}{A_{Ag}},L_{Ag}=1.53m\);.
b.\(\displaystyle R_{Au,20 °C}=0.0074Ω, R_{Au,100 °C}=0.0094Ω, R_{Ag,100°C}=0.0096Ω\)
Matatizo ya ziada
69. \(\displaystyle dR=\frac{ρ}{2πrL}dr\)
\(\displaystyle R=\frac{ρ}{2πL}ln\frac{r_o}{r_i}\)
\(\displaystyle R=2.21×10^{11}Ω\)
71. a\(\displaystyle R_0=0.003Ω\);.
b.\(\displaystyle T_c=37.0°C\)\(\displaystyle R=0.00302Ω\)
73. \(\displaystyle ρ=5.00×10^{−8}Ω⋅m\)
75. \(\displaystyle ρ=1.71×10^{−8}Ω⋅m\)
77. \(\displaystyle a. V=6000V\);
b.\(\displaystyle V=60V\)
79. \(\displaystyle P=\frac{W}{t},W=8.64J\)
Changamoto Matatizo
81. \(\displaystyle V=7.09cm^3\)\(\displaystyle n=8.49×10^{28}\frac{electrons}{m^2}\)\(\displaystyle v_d=7.00×10^{−5}\frac{m}{s}\)
83. a\(\displaystyle v=4.38×10^{7} m/s \);.
b\(\displaystyle v = 5.81×10^{13} \: \frac{protons}{m^3}\);
c. 1.25\(\frac{electrons}{m^3}\)
85. \(\displaystyle E=75kJ\)
87. a\(\displaystyle P=52W\)\(\displaystyle R=36Ω\);.
b.\(\displaystyle V=43.54V\)
89. a\(\displaystyle R=\frac{ρ}{2πL}ln(\frac{R_0}{R_i})\);.
b.\(\displaystyle R=2.5mΩ\)
91. a\(\displaystyle I=0.870A\);.
b. #electrons\(\displaystyle =2.54×10^{23}\)
c\(\displaystyle R=132Ω\);
d.\(\displaystyle q=4.68×10^6J\)
93. \(\displaystyle P=1045W,P=\frac{V^2}{R},R=12.27Ω\)