Keskustelu
määritelmät
virta
Sähkövirta määritellään nopeudeksi, jolla varaus virtaa jonkin pinnan (esimerkiksi langan poikkileikkauksen) läpi. Huolimatta siitä, että sillä viitataan moniin eri asioihin, sanaa virta käytetään usein sellaisenaan pidemmän ja muodollisemman ”sähkövirran” sijasta. Adjektiivi ”sähköinen” sisältyy kuvattavan tilanteen asiayhteyteen. Ilmaisu ”virtaa leivänpaahtimen läpi” viittaa varmasti elektronien virtaukseen lämmityselementin läpi eikä leipäviipaleiden virtaukseen paahtimen rakojen läpi.
Kuten kaikkien nopeutena määriteltyjen suureiden kohdalla, on olemassa kaksi tapaa kirjoittaa sähkövirran määritelmä – keskivirta niille, jotka väittävät olevansa tietämättömiä laskutaidosta…
| I = | ∆q |
| ∆t |
ja hetkellinen sähkövirta niille, jotka eivät pelkää laskemista…
| I = |
lim ∆t→0
|
∆q | = | dq |
| ∆t | dt |
Virran yksikkö on ampeeri , joka on nimetty ranskalaisen tiedemiehen André-Marie Ampèren (1775-1836) mukaan. Kirjoitetuissa kielissä, joissa ei ole aksenttikirjaimia (eli englannissa) on tullut tavaksi kirjoittaa yksikkö nimellä ampere ja epävirallisessa viestinnässä lyhentää sana ampeeriksi. Minulla ei ole ongelmia kummankaan kirjoitustavan kanssa. Kunhan alussa ei käytetä isoa A-kirjainta. Ampère viittaa fyysikkoon, kun taas ampère (tai ampere tai amp) viittaa yksikköön.
Sen vuoksi, että varaus mitataan coulombeina ja aika sekunteina, ampère on sama kuin coulombi sekunnissa.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
A = | C | ⎤ ⎥ ⎦ |
| s |
Alkeisvaraus määritellään täsmälleen…
e = 1.602176634 × 10-19 C
Alkeisvarausten lukumäärä coulombissa olisi tämän luvun käänteisluku – toistuva desimaaliluku, jonka jakso on 778,716 numeroa. Kirjoitan ensimmäiset 19 numeroa, mikä on suurin mahdollinen määrä, jonka voin kirjoittaa (koska mielivaltaisia alkeisvarauksen murtolukuja ei ole olemassa).
C ≈ 6 241 509 074 460 762 607 e
Ja sitten kirjoitan sen uudestaan kohtuullisemmalla numeromäärällä, jotta se on helpompi lukea.
C ≈ 6,2415 × 1018 e
Tällöin yhden ampeerin virta on noin 6,2415 × 1018 alkeisvarauksen siirtymistä sekunnissa. Kolikoista pitäville tiedoksi, että tämä vastaa suunnilleen kymmentä mikromoolia.
virrantiheys
Kun kuvittelen virran, näen asioiden liikkuvan. Näen niiden liikkuvan johonkin suuntaan. Näen vektorin. Näen väärän asian. Virta ei ole vektorisuuruus, huolimatta hyvin kehittyneestä tieteellisestä intuitiostani. Virta on skalaari. Ja syy on… koska se on.
Mutta odottakaa, tilanne muuttuu vielä oudommaksi. Virran ja pinta-alan suhdetta tietyllä pinnalla kutsutaan virrantiheydeksi.
| J = | I |
| A |
Virrantiheyden yksikkönä on ampeeri neliömetrillä, jolla ei ole mitään erityistä nimeä.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
A | = | A | ⎤ ⎥ ⎦ ⎦ |
| m2 | m2 |
Kahden skalaarisen suureen suhde, virrantiheys on vektori. Ja syy on, koska se on.
Noh… itse asiassa se johtuu siitä, että virrantiheys määritellään varaustiheyden ja nopeuden tulona missä tahansa paikassa avaruudessa…
J = ρ v
Kahden yhtälön suuruusluokka on ekvivalenttinen, kuten alla näkyy.
| J = | ρ | v | v | ||||||||
| J = | q | ds | = | s | dq | = | 1 | I | |||
| V | dt | sA | dt | A | |||||||
| J = | I | ||||||||||
| A | |||||||||||
Jotain muuta huomioitavaa.
I = JA = ρvA
Nestemekaniikkaan perehtyneet lukijat saattavat tunnistaa tämän yhtälön oikean puolen, jos se olisi kirjoitettu hieman eri tavalla.
I = ρAv
Tämä tulo on se suure, joka pysyy vakiona massan jatkuvuusyhtälössä.
ρ1A1v1 = ρ2A2v2
Täsmälleen sama lauseke pätee myös sähkövirtaan symbolin ρ vaihdellessa merkitystään eri yhteyksissä. Nestemekaniikassa ρ tarkoittaa massatiheyttä, kun taas sähkövirrassa se edustaa varaustiheyttä.
mikroskooppinen kuvaus
Virta on varattujen hiukkasten virtausta. Ne ovat erillisiä kokonaisuuksia, mikä tarkoittaa, että ne voidaan laskea.
n = N/V
∆q = nqV
V = Ad = Av∆t
| I = | ∆q | = | nqAv∆t |
| ∆t | ∆t |
I = nqAv
Vastaava lauseke voidaan kirjoittaa virran tiheydelle. Johdanto alkaa skalaarimuodossa, mutta lopullisessa lausekkeessa käytetään vektoreita.
| J = | I | = | nqAv |
| A | A |
J = nqv
kiinteät
johtaminen vs. valenssielektronit, johtimet vs. eristeet
Drift motion superimposed on thermal motion
Magnify
Siltateksti.
Langan elektronien terminen nopeus on melko suuri ja se vaihtelee satunnaisesti atomien yhteentörmäysten takia. Koska muutokset ovat kaoottisia, nopeus keskimääräistyy nollaan.
Kun lanka asetetaan sähkökenttään, vapaat elektronit kiihtyvät tasaisesti törmäysten väleissä. Nämä kiihtyvyysjaksot nostavat keskinopeuden nollan yläpuolelle. (Vaikutusta on tässä kaaviossa liioiteltu huomattavasti.)
Elektronin lämpönopeus kuparissa huoneenlämmössä (klassinen approksimaatio)…
|
||||
|
||||
|
elektronin ferminopeus kuparissa (kvanttiarvo)…
|
||||
|
||||
|
Elektronin ajautumisnopeus 10 m:n kuparijohdossa, joka on kytketty 12 V:n auton akkuun huoneenlämmössä (keskimääräinen vapaa aika törmäysten välillä huoneenlämmössä τ = 3 × 10-14 s)…
|
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
Lämpönopeus on useita kertaluokkia suurempi kuin ajautumisnopeus tyypillisessä johdossa. Aika piirin valmistumiseen on noin tunti.
nesteet
ionit, elektrolyytit
kaasut
ionit, plasma
- 2:02 PM – Siirtojohto katkeaa Lounais-Ohiossa
4. Stuart – Atlanta 345 kV
Johtolinja on osa siirtotietä Lounais-Ohion alueelta Pohjois-Ohiossa. Se kytkeytyi irti järjestelmästä, koska linjan osan alla oli pensaspalo. Tulipalon kuumat kaasut voivat ionisoida siirtojohdon yläpuolella olevan ilman, jolloin ilma johtaa sähköä ja oikosulkee johtimet.
Lähde
historiallinen
Symbolin I valitsi 1800-luvun ranskalainen fyysikko ja matemaatikko André-Marie Ampère kuvaamaan virran voimakkuutta.
Magnify Pour exprimer en nombre l’intensité d’un courant quelconque, on concevra qu’on ait choisi un autre courant arbitraire pour terme de comparaison….. Désignant donc par i et i’ les rapports des intensités des deux courants donnés à l’intensité du courant pris pour unite….. Jotta virran voimakkuus voidaan ilmaista lukuna, oletetaan, että toinen mielivaltainen virta valitaan vertailtavaksi….. Käytetään i:tä ja i′:tä kuvaamaan kahden tietyn virran voimakkuuden suhdetta yhtenäiseksi otetun vertailuvirran voimakkuuteen….. André-Marie Ampère, 1826 André-Marie Ampère, 1826 (maksullinen linkki)
Käsitteellä intensiteetti on nykyään fysiikassa asiaan liittymätön merkitys. Virta on nopeus, jolla varaus virtaa minkä tahansa kokoisen pinnan – kuten pariston napojen tai sähköpistokkeen piikkien – läpi. Intensiteetti on keskimääräinen teho pinta-alayksikköä kohti, jonka jokin säteilyilmiö siirtää – kuten vilkasliikenteisen moottoritien ääni, auringon valo tai radioaktiivisesta lähteestä lähtevät suihkuhiukkaset. Virta ja intensiteetti ovat nyt eri suureita, joilla on eri yksiköt ja eri käyttötarkoitukset, minkä vuoksi niissä käytetään (tietysti) samoja symboleja.
| virta | intensiteetti | ||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
Taulukon alku
- 12,000 A virta CERNin LHC:n magneettien läpi