Skip to main content
Global

20.1: Sasa

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    183465

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza

    Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

    • Eleza umeme wa sasa, ampere, na kasi ya drift
    • Eleza mwelekeo wa mtiririko wa malipo kwa sasa ya kawaida.
    • Tumia kasi ya drift kuhesabu sasa na kinyume chake.

    Umeme sasa

    Sasa umeme hufafanuliwa kuwa kiwango ambacho malipo yanapita. Sasa kubwa, kama ile iliyotumika kuanzisha inji ya lori, husababisha kiasi kikubwa cha malipo kwa muda mdogo, ilhali sasa ndogo, kama ile inayotumiwa kuendesha kikokotoo cha mkono, huhamisha kiasi kidogo cha malipo kwa kipindi kirefu. Katika fomu ya equation, sasa umeme\(I\) hufafanuliwa kuwa

    \[I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} , \label{20.2.1}\]

    ambapo\(\Delta Q\) ni kiasi cha malipo kupita katika eneo fulani kwa wakati\(\Delta t\). Kama ilivyo katika sura zilizopita, wakati wa awali mara nyingi huchukuliwa kuwa sifuri, katika hali hiyo\(\Delta t = t\). (\(\PageIndex{1}\)). Kitengo cha SI kwa sasa ni ampere (A), jina lake kwa mwanafizikia wa Kifaransa André-Marie Ampère (1775—1836). Kutoka Equation\ ref {20.2.1}, tunaona kwamba ampere ni coulomb moja kwa pili:

    \[1 A = 1 C/s \label{20.2.2}\]

    Sio tu fuses na wapiganaji wa mzunguko waliopimwa katika amperes (au amps), hivyo ni vifaa vingi vya umeme.

    Malipo yanaonyeshwa kama nyanja ndogo zinazohamia kupitia sehemu ya waya inayoendesha. Mwelekeo wa harakati za malipo unaonyeshwa kwa mishale pamoja na urefu wa conductor kuelekea kulia. Sehemu ya msalaba wa waya inaitwa kama A. sasa ni sawa na mtiririko wa malipo.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Kiwango cha mtiririko wa malipo ni sasa. Ampere ni mtiririko wa coulomb moja kupitia eneo kwa pili.

    Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Currents: Current in a Truck Battery and a Handheld Calculator

    1. Ni nini sasa kinachohusika wakati betri ya lori inapoingia 720 C ya malipo katika 4.00 s wakati wa kuanza inji?
    2. Inachukua muda gani 1.00 C ya malipo ili inapita kupitia calculator ya mkono ikiwa sasa ya 0.300-mA inapita?

    Mkakati

    Tunaweza kutumia ufafanuzi wa sasa katika equation\(I = \Delta Q / \Delta t\) ili kupata sasa katika sehemu (a), tangu malipo na wakati hutolewa. Katika sehemu (b), tunapanga upya ufafanuzi wa sasa na kutumia maadili yaliyotolewa ya malipo na ya sasa ili kupata muda unaohitajika.

    Suluhisho (a)

    Kuingia maadili yaliyotolewa kwa malipo na wakati katika ufafanuzi wa sasa hutoa

    \[ \begin{align*} I &= \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} \\[5pt] &= \dfrac{720 C}{4.00 s} \\[5pt] &= 180 C/s \\[5pt] &= 180 A. \end{align*}\]

    Majadiliano (a)

    Thamani hii kubwa kwa sasa inaonyesha ukweli kwamba malipo makubwa yanahamishwa kwa muda mdogo. Maji katika “motors starter” hizi ni kubwa sana kwa sababu nguvu kubwa za msuguano zinahitaji kushinda wakati wa kuweka kitu katika mwendo.

    Suluhisho (b)

    Kutatua uhusiano\(I = \Delta Q / \Delta t\) kwa muda\(\Delta t\), na kuingia maadili inayojulikana kwa malipo na ya sasa inatoa

    \[ \begin{align*} \Delta t &= \dfrac{\Delta Q}{I} \\[5pt] &= \dfrac{1.00 C}{0.300 \times 10^{-3} C/s} \\[5pt] &= 3.33 \times 10^{3}s. \end{align*}\]

    Majadiliano (b)

    Wakati huu ni kidogo chini ya saa. Sasa ndogo inayotumiwa na calculator iliyofanyika mkono inachukua muda mrefu sana kuhamisha malipo madogo kuliko sasa kubwa ya mwanzo wa lori. Kwa nini tunaweza kuendesha mahesabu yetu sekunde tu baada ya kuwasha? Ni kwa sababu calculators zinahitaji nishati kidogo sana. Mahitaji madogo ya sasa na ya nishati huruhusu mahesabu ya handheld kufanya kazi kutoka seli za jua au kupata masaa mengi ya matumizi nje ya betri ndogo. Kumbuka, mahesabu hawana sehemu zinazohamia kwa njia ile ile ambayo inji ya lori ina mitungi na pistoni, hivyo teknolojia inahitaji mikondo ndogo.

    Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha mzunguko rahisi na uwakilishi wa kawaida wa betri, njia ya kufanya, na mzigo (kupinga). Schematics ni muhimu sana katika kutazama sifa kuu za mzunguko. Mpangilio mmoja unaweza kuwakilisha hali mbalimbali. schematic katika Kielelezo\(\PageIndex{2b}\), kwa mfano, inaweza kuwakilisha kitu chochote kutoka betri ya lori iliyounganishwa na taa ya taa ya taa mitaani mbele ya lori kwa betri ndogo iliyounganishwa na taa ya penlight, keyhole kwenye mlango. Schematics vile ni muhimu kwa sababu uchambuzi ni sawa kwa hali mbalimbali. Tunahitaji kuelewa schematics chache kutumia dhana na uchambuzi kwa hali nyingi zaidi.

    Sehemu ya a inaonyesha bulb inang'aa wakati vituo vyake vimeunganishwa na betri kupitia waya. Voltage ya betri imeandikwa kama V. sasa kwa njia ya bulb inawakilishwa kama mimi, na mwelekeo wa sasa unaonyeshwa kwa kutumia mishale inayotokana na terminal nzuri ya betri, kupita kwa njia ya bulb, na kuingia kwenye terminal hasi ya betri. Sehemu ya b inaonyesha mchoro wa mzunguko wa umeme na upinzani unaounganishwa kwenye vituo vya betri ya voltage V. sasa inaonyeshwa kwa kutumia mishale kama inajitokeza kutoka kwenye terminal nzuri ya betri, kupitia upinzani, na kuingia kwenye terminal hasi ya betri.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Mzunguko rahisi wa umeme. Njia iliyofungwa ya sasa inapita kati yake hutolewa kwa kufanya waya kuunganisha mzigo kwenye vituo vya betri. (b) Katika schematic hii, betri inawakilishwa na mistari miwili inayofanana nyekundu, waya zinazoendesha zinaonyeshwa kama mistari ya moja kwa moja, na zigzag inawakilisha mzigo. Mpangilio unawakilisha aina mbalimbali za nyaya zinazofanana.

    Kumbuka kuwa mwelekeo wa mtiririko wa sasa katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\) ni kutoka chanya hadi hasi. Mwelekeo wa sasa wa kawaida ni mwelekeo ambao malipo mazuri yatapita. Kulingana na hali hiyo, mashtaka mazuri, mashtaka hasi, au wote wawili wanaweza kuhamia. Katika waya za chuma, kwa mfano, sasa inafanywa na elektroni-yaani, mashtaka hasi hoja. Katika ufumbuzi wa ionic, kama vile maji ya chumvi, mashtaka mazuri na hasi huenda. Hii pia ni kweli katika seli za ujasiri. Jenereta ya Van de Graaff inayotumiwa kwa ajili ya utafiti wa nyuklia inaweza kuzalisha sasa ya mashtaka safi mazuri, kama vile protoni. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) unaeleza harakati ya chembe kushtakiwa kwamba kutunga sasa. Ukweli kwamba sasa wa kawaida unachukuliwa kuwa katika mwelekeo ambao malipo mazuri yatapita inaweza kufuatiliwa nyuma kwa mwanasiasa wa Marekani na mwanasayansi Benjamin Franklin katika miaka ya 1700. Alitaja aina ya chaji inayohusishwa na elektroni hasi, muda mrefu kabla ya kujulikana kubeba sasa katika hali nyingi. Franklin, kwa kweli, alikuwa hawajui kabisa muundo mdogo wa umeme.

    Katika sehemu a, mashtaka mazuri huenda kuelekea haki kwa njia ya waya inayoendesha. Mwelekeo wa harakati za malipo unaonyeshwa kwa mishale pamoja na urefu wa waya. Sehemu ya msalaba wa waya inaitwa kama A. mwelekeo wa uwanja wa umeme E ni upande wa kulia, katika mwelekeo sawa na harakati ya malipo mazuri. Mwelekeo wa sasa pia unaelekea kulia, umeonyeshwa na mshale. Katika sehemu ya b, mashtaka hasi huenda kuelekea upande wa kushoto kupitia waya unaoendesha. Mwelekeo wa harakati za malipo unaonyeshwa kwa mishale pamoja na urefu wa waya. Sehemu ya msalaba wa waya inaitwa kama A. mwelekeo wa uwanja wa umeme E ni kuelekea kulia, kinyume na mwelekeo wa harakati ya malipo hasi. Mwelekeo wa sasa pia unaelekea kulia, umeonyeshwa na mshale.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Sasa\(I\) ni kiwango ambacho malipo huenda kupitia eneo\(A\), kama sehemu ya msalaba wa waya. Sasa kawaida hufafanuliwa kuhamia katika mwelekeo wa shamba la umeme. (a) Mashtaka mazuri huenda kwenye mwelekeo wa uwanja wa umeme na mwelekeo sawa na sasa wa kawaida. (b) Mashtaka mabaya huenda kwenye mwelekeo kinyume na uwanja wa umeme. Sasa ya kawaida iko katika mwelekeo kinyume na harakati ya malipo hasi. Mtiririko wa elektroni wakati mwingine hujulikana kama mtiririko wa elektroniki.

    Ni muhimu kutambua kwamba kuna uwanja wa umeme katika waendeshaji wanaohusika na kuzalisha sasa, kama inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Tofauti na umeme wa tuli, ambapo conductor katika usawa hawezi kuwa na shamba la umeme ndani yake, waendeshaji wanaobeba sasa wana shamba la umeme na sio usawa tuli. Shamba la umeme linahitajika ili kusambaza nishati ili kusonga mashtaka.

    KUFANYA UHUSIANO: KUCHUKUA-NYUMBANI UCHUNGUZI-UMEME SASA MFANO

    Pata majani na mbaazi kidogo ambazo zinaweza kusonga kwa uhuru katika majani. Weka gorofa ya majani kwenye meza na kujaza majani na mbaazi. Unapopiga pea moja kwa mwisho mmoja, pea tofauti inapaswa kuondokana na mwisho mwingine. Maonyesho haya ni mfano wa sasa wa umeme. Kutambua nini kulinganisha na elektroni na nini kulinganisha na usambazaji wa nishati. Nini analogies nyingine unaweza kupata kwa sasa umeme?

    Kumbuka kwamba mtiririko wa mbaazi ni msingi wa mbaazi kimwili bumping ndani ya kila mmoja; elektroni inapita kwa sababu ya vikosi vya umeme vya kupindukia.

    Mfano\(\PageIndex{2}\): Calculating the Number of Electrons that Move through a Calculator

    Ikiwa sasa ya 0.300-mA kupitia calculator iliyotajwa katika mfano inafanywa na elektroni, ni elektroni ngapi kwa pili hupita kwa njia hiyo?

    Mkakati

    Mahesabu ya sasa katika mfano uliopita ilifafanuliwa kwa mtiririko wa malipo mazuri. Kwa elektroni, ukubwa ni sawa, lakini ishara ni kinyume,\(I_{electrons} = -0.300 \times 10^{-3} C/s\). Kwa kuwa kila elektroni\(\left( e^{-} \right) \) ina malipo ya\(-1.60 \times 10^{-19} C\), tunaweza kubadilisha sasa katika coulombs kwa sekunde kwa elektroni kwa sekunde.

    Suluhisho:

    Kuanzia na ufafanuzi wa sasa, tuna

    \[ \begin{align*} I_{electrons} &= \dfrac{\Delta Q_{electrons}}{\Delta t} \\[5pt] &= \dfrac{-0.300 \times 10^{-3} C}{s}. \end{align*}\]

    Tunagawanya hii kwa malipo kwa elektroni, ili

    \[ \begin{align*} \dfrac{e}{s} &= \dfrac{-0.300 \times 10{-3}C}{s} \times \dfrac{1 e}{-1.60 \times 10^{-19}C} \\[5pt] &= 1.88 \times 10^{15} \dfrac{e}{s}. \end{align*}\]

    Majadiliano:

    Kuna chembe nyingi za kushtakiwa zinazohamia, hata katika mikondo ndogo, kwamba mashtaka ya mtu binafsi hayatambui, kama vile molekuli ya maji ya mtu binafsi haijulikani katika mtiririko wa maji. Hata zaidi ya kushangaza ni kwamba hawana daima kuendelea kusonga mbele kama askari katika gwaride. Badala yake wao ni kama umati wa watu wenye harakati katika mwelekeo tofauti lakini mwenendo wa jumla wa kusonga mbele. Kuna migongano mingi na atomi katika waya wa chuma na, bila shaka, na elektroni nyingine.

    drift kasi

    Ishara za umeme zinajulikana kuhamia haraka sana. Mazungumzo ya simu yaliyofanywa na mikondo katika waya hufunika umbali mkubwa bila ucheleweshaji unaoonekana Taa zinakuja haraka kama kubadili kunapigwa. Wengi ishara ya umeme kufanyika kwa mikondo kusafiri kwa kasi juu ya utaratibu wa\(10^{8} m/s \), sehemu kubwa ya kasi ya mwanga. Kushangaza, mashtaka ya mtu binafsi kwamba kufanya juu ya hoja ya sasa polepole zaidi kwa wastani, kawaida drifting kwa kasi juu ya utaratibu wa\(10^{-4} m/s \). Tunawezaje kupatanisha kasi hizi mbili, na inatuambia nini kuhusu wasimamizi wa kawaida?

    Kasi ya ishara ya umeme inatokana na ukweli kwamba nguvu kati ya mashtaka hufanya haraka kwa mbali. Kwa hiyo, wakati malipo ya bure yanalazimika kwenye waya, kama ilivyo\(\PageIndex{4}\), malipo yanayoingia yanasubu mashtaka mengine mbele yake, ambayo kwa upande wake kushinikiza mashtaka zaidi chini ya mstari. Uzito wa malipo katika mfumo hauwezi kuongezeka kwa urahisi, na hivyo ishara inapitishwa haraka. Wimbi la mshtuko wa umeme linakwenda kupitia mfumo kwa karibu kasi ya mwanga. Ili kuwa sahihi, ishara hii ya kusonga kwa kasi au wimbi la mshtuko ni mabadiliko ya kueneza haraka katika uwanja wa umeme.

    Electroni za kushtakiwa vibaya hupitia waya inayoendesha. Elektroni mbili zinaonyeshwa kuingia kwenye waya kutoka mwisho mmoja, na elektroni mbili zinaonyeshwa zikiacha waya kwenye mwisho mwingine. Mwelekeo wa harakati za malipo unaonyeshwa kwa mishale pamoja na urefu wa waya kuelekea kulia. Baadhi ya elektroni huonyeshwa ndani ya waya.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Wakati chembe za kushtakiwa zinalazimishwa kwa kiasi hiki cha conductor, idadi sawa ni haraka kulazimishwa kuondoka. Repulsion kati ya mashtaka kama hayo hufanya iwe vigumu kuongeza idadi ya mashtaka kwa kiasi. Kwa hiyo, kama malipo moja yanaingia, mwingine huacha karibu mara moja, akibeba ishara haraka mbele.

    Wafanyabiashara wazuri wana idadi kubwa ya mashtaka ya bure ndani yao. Katika metali, mashtaka ya bure ni elektroni za bure. \(\PageIndex{5}\)inaonyesha jinsi elektroni za bure zinavyohamia kupitia kondakta wa kawaida. Umbali ambao elektroni ya mtu binafsi inaweza kusonga kati ya migongano na atomi au elektroni nyingine ni ndogo kabisa. Hivyo njia za elektroni zinaonekana karibu random, kama mwendo wa atomi katika gesi. Lakini kuna uwanja wa umeme katika kondakta ambayo husababisha elektroni kuelekea kwenye mwelekeo ulioonyeshwa (kinyume na shamba, kwa kuwa ni hasi). Kasi ya drift\(v_{d}\) i ni kasi ya wastani ya mashtaka ya bure. Kasi ya Drift ni ndogo sana, kwani kuna mashtaka mengi ya bure. Ikiwa tuna makadirio ya wiani wa elektroni za bure katika kondakta, tunaweza kuhesabu kasi ya drift kwa sasa iliyotolewa. Uzito mkubwa, kasi ya chini inahitajika kwa sasa iliyotolewa.

    Mchoro unaonyesha sehemu ya waya inayoendesha. Electroni ya bure inavyoonekana kwenye waya, na njia ya elektroni inaonyeshwa kama mishale ya zigzag pamoja na urefu wa waya. Njia inavyoonyeshwa kuanzia mwisho mmoja wa waya na kuishia mwisho mwingine. Kasi ya drift, v ndogo d, inaonyeshwa kwa mshale kuelekea kulia, kinyume na mwelekeo wa shamba la umeme E na sasa I.
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Electroni za bure zinazohamia kwenye kondakta hufanya migongano mingi na elektroni nyingine na atomi. Njia ya elektroni moja inavyoonyeshwa. Upeo wa wastani wa mashtaka ya bure huitwa kasi ya drift\(v_{d}\), na iko katika mwelekeo kinyume na uwanja wa umeme kwa elektroni. Migongano kawaida huhamisha nishati kwa conductor, wanaohitaji ugavi wa nishati mara kwa mara ili kudumisha sasa ya kutosha.

    UENDESHAJI WA UMEME NA JOTO

    Wafanyabiashara wa umeme mzuri mara nyingi ni waendeshaji wa joto nzuri, pia. Hii ni kwa sababu idadi kubwa ya elektroni za bure zinaweza kubeba umeme wa sasa na zinaweza kusafirisha nishati ya joto.

    Migongano ya elektroni ya bure huhamisha nishati kwa atomi za conductor. Uwanja wa umeme hufanya kazi katika kusonga elektroni kwa umbali, lakini kazi hiyo haina kuongeza nishati ya kinetic (wala kasi, kwa hiyo) ya elektroni. Kazi hiyo inahamishiwa kwenye atomi za conductor, labda kuongezeka kwa joto. Hivyo pembejeo ya nguvu inayoendelea inahitajika ili kuweka sasa inapita. Mbali, bila shaka, hupatikana katika superconductors, kwa sababu tutachunguza katika sura ya baadaye. Superconductors wanaweza kuwa na sasa ya kutosha bila usambazaji wa nishati-akiba kubwa ya nishati. Kwa upande mwingine, usambazaji wa nishati unaweza kuwa na manufaa, kama vile filament ya taa. Ugavi wa nishati ni muhimu kuongeza joto la filament ya tungsten, ili filament iweze.

    KUFANYA UHUSIANO: UCHUNGUZI WA NYUMBANI-UCHUNGUZI WA FILAMENT

    Pata bomba la taa na filament. Angalia kwa makini filament na ueleze muundo wake. Je, ni pointi gani filament iliyounganishwa?

    Tunaweza kupata kujieleza kwa uhusiano kati ya kasi ya sasa na drift kwa kuzingatia idadi ya mashtaka bure katika sehemu ya waya, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\). Idadi ya mashtaka ya bure kwa kiasi cha kitengo inapewa ishara\(n\) na inategemea nyenzo. Sehemu ya kivuli ina kiasi\(Ax\), ili idadi ya mashtaka ya bure ndani yake\(nAx\). Malipo\(\Delta Q\) katika sehemu hii ni hivyo\(qnAx\), wapi\(q\) kiasi cha malipo kwa kila carrier. (Kumbuka kwamba kwa elektroni,\(q\) ni\(-1.60 \times 10^{-19} C\).) Sasa ni malipo wakiongozwa kwa wakati wa kitengo; hivyo, ikiwa mashtaka yote ya awali yanaondoka sehemu hii kwa wakati\(\Delta t\), sasa ni

    \[I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} = \dfrac{qnAx}{\Delta t} . \label{20.2.3}\]

    Kumbuka kwamba\(x/ \Delta t\) ni ukubwa wa kasi ya drift\(v_{d}\), kwa kuwa mashtaka huhamia umbali wa wastani\(x\) kwa wakati\(\Delta t\). Kupanga upya masharti anatoa

    \[I = nqAv_{d} , \label{20.2.4}\]

    \(I\)wapi sasa kupitia waya wa eneo la msalaba\(A\) uliofanywa kwa nyenzo na wiani wa malipo ya bure\(n\). Wafanyabiashara wa sasa kila mmoja wana malipo\(q\) na kuhamia kwa kasi ya ukubwa wa ukubwa\(v_{d}\).

    Malipo yanaonyeshwa kusonga kupitia sehemu ya waya inayoendesha. mashtaka na drift kasi v ndogo d pamoja urefu wa waya, inavyoonekana kwa mshale akizungumzia na haki. Kiasi cha sehemu ya waya ni sawa na mara x, ambapo x sawa na bidhaa ya kasi ya drift, v ndogo d, na wakati t. sehemu ya msalaba wa waya ni alama kama A, na urefu wa sehemu ni x.
    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Mashtaka yote katika kiasi cha kivuli cha waya huu huenda nje kwa wakati\(t\), na kasi ya ukubwa wa ukubwa\(v_{d} = x/t\). Angalia maandishi kwa ajili ya majadiliano zaidi.

    Kumbuka kuwa rahisi drift kasi si hadithi nzima. Kasi ya elektroni ni kubwa zaidi kuliko kasi yake ya drift. Aidha, si wote wa elektroni katika kondakta wanaweza hoja kwa uhuru, na wale ambao wanaweza hoja kiasi fulani kwa kasi au polepole kuliko kasi drift. Kwa hiyo tuna maana gani kwa elektroni za bure? Atomi katika conductor metali ni packed katika mfumo wa muundo wa tani. Baadhi ya elektroni ni mbali ya kutosha mbali na viini atomia kwamba hawana uzoefu wa mvuto wa viini kama vile elektroni za ndani zinavyofanya. Hizi ni elektroni za bure. Hazifungamana na atomi moja lakini badala yake zinaweza kuhamia kwa uhuru kati ya atomi katika “bahari” ya elektroni. Elektroni hizi za bure hujibu kwa kuharakisha wakati shamba la umeme linatumika. Bila shaka wanapohamia wao hugongana na atomi katika tani na elektroni nyingine, kuzalisha nishati ya joto, na conductor anapata joto. Katika insulator, shirika la atomi na muundo haziruhusu elektroni hizo za bure.

    Mfano\(\PageIndex{3}\): Calculating Drift Velocity in a Common Wire

    Tumia kasi ya drift ya elektroni katika waya wa shaba ya kupima 12 (ambayo ina kipenyo cha 2.053 mm) inayobeba sasa ya 20.0-A, kutokana na kwamba kuna elektroni moja ya bure kwa atomi ya shaba. (Wiring ya kaya mara nyingi ina waya wa shaba ya kupima 12, na sasa ya juu inaruhusiwa katika waya hiyo ni kawaida 20 A.) Uzito wa shaba ni\(8.80 \times 10^{3} kg/m^{3}\).

    Mkakati

    Tunaweza kuhesabu kasi ya drift kwa kutumia equation\(I = nqAv_{d}\). Ya sasa\(I = 20.0 A\) inapewa, na\(q = -1.60 \times 10^{-19}C\) ni malipo ya elektroni. Tunaweza kuhesabu eneo la sehemu ya msalaba wa waya kwa kutumia formula\(A = \pi r^{2}\), wapi\(r\) nusu ya kipenyo kilichopewa, 2.053 mm. Tunapewa wiani wa shaba\(8.80 \times 10^{3} kg/m^{3}\), na meza ya mara kwa mara inaonyesha kwamba molekuli ya atomiki ya shaba ni 63.54 g/mol. Tunaweza kutumia kiasi hiki mbili pamoja na idadi ya Avogadro, kuamua\(6.02 \times 10^{23} atoms/mol\)\(n\), idadi ya elektroni za bure kwa kila mita ya ujazo.

    Suluhisho

    Kwanza, hesabu wiani wa elektroni za bure katika shaba. Kuna elektroni moja ya bure kwa atomi ya shaba. Kwa hiyo, ni sawa na idadi ya atomi za shaba kwa\(m^{3}\). Sasa tunaweza kupata\(n\) kama ifuatavyo:

    \[ \begin{align*} n &= \dfrac{1 e^{-}}{atom} \times \dfrac{6.02 \times 10^{23} atoms}{mol} \times \dfrac{1 mol}{63.54 g} \times \dfrac{1000 g}{kg} \times \dfrac{8.80 \times 10^{3}kg}{1 m^{3}} \\[5pt] &= 8.342 \times 10^{28} e^{-}/m^{3}. \end{align*}\]

    Sehemu ya msalaba wa waya ni

    \[ \begin{align*} A &= \pi r^{2}\]\[= \pi \left( \dfrac{2.053 \times 10^{-3} m}{2} \right)^{2}\\[5pt] &= 3.310 \times 10^{-6}m^{2}.\end{align*}\]

    \(I = nqAv_{d}\)Rearranging kujitenga drift kasi anatoa

    \[ \begin{align*} v_{d} &= \dfrac{I}{nqA}\\[5pt] &= \dfrac{20.0 A}{\left(8.342 \times 10^{28} /m^{3} \right) \left(-1.60 \times 10^{-19} C\right) \left(3.310 \times 10^{-6} m^{2}\right)} \\[5pt] &= -4.53 \times 10^{-4} m/s.\end{align*}\]

    Majadiliano

    Ishara ndogo inaonyesha kwamba mashtaka mabaya yanahamia katika mwelekeo kinyume na sasa wa kawaida. Thamani ndogo ya kasi ya drift (kwa utaratibu wa\(10^{-4} m/s\)) inathibitisha kwamba ishara inakwenda kwa utaratibu wa\(10^{12}\) nyakati kwa kasi (kuhusu\(10^{8} m/s\)) kuliko mashtaka ambayo hubeba.

    Muhtasari

    • \(I\)Umeme wa sasa ni kiwango ambacho malipo hutoka, iliyotolewa na\[I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t,}\] wapi\(\Delta Q\) kiasi cha malipo kinachopita eneo kwa wakati\(\Delta t\).
    • Mwelekeo wa sasa wa kawaida unachukuliwa kama mwelekeo ambao malipo mazuri huenda.
    • Kitengo cha SI kwa sasa ni ampere (A), wapi\(1 A = 1 C/s.\)
    • Sasa ni mtiririko wa mashtaka ya bure, kama vile elektroni na ions.
    • Drift kasi\(v_{d}\) ni kasi ya wastani ambayo mashtaka haya hoja.
    • Sasa\(I\) ni sawia na kasi ya drift\(v_{d}\), kama ilivyoelezwa katika uhusiano\(I = nqAv_{d}\). Hapa,\(I\) ni sasa kupitia waya wa eneo la msalaba\(A\). Vifaa vya waya kama wiani wa malipo ya bure\(n\), na kila carrier ana malipo\(q\) na kasi ya drift\(v_{d}\).
    • Ishara za umeme zinasafiri kwa kasi kuhusu\(10^{12}\) nyakati kubwa zaidi kuliko kasi ya drift ya elektroni za bure.

    faharasa

    umeme wa sasa
    kiwango ambacho malipo inapita, I = Δ Q /Δ t
    ampere
    (amp) kitengo cha SI kwa sasa; 1 A = 1 C/s
    drift kasi
    kasi ya wastani ambayo mashtaka ya bure yanapita katika kukabiliana na shamba la umeme