Apa itu Rapat muatan; rapat arus? — Fisika

Definisi 10.1 Fisika Universitas — Tahun 2 · Bab 10 — Muatan, Arus dan Penghantaran

Pada skala mesoskopik, materi mengemban rapat muatan volume $\rho(M, t)$ ( $\mathrm{C}/\mathrm{m}^{3}$ ): muatan $\rho\,\dd\tau$ dalam $\dd\tau$ . Sebuah permukaan dapat mengemban rapat permukaan $\sigma$ ( $\mathrm{C}/\mathrm{m}^{2}$ ), sebuah kawat rapat garis $\lambda$ ( $\mathrm{C}/\mathrm{m}$ ). Jika pengemban jenis $i$ (bermuatan $q_i$ , berkerapatan jumlah $n_i$ ) bergerak dengan kecepatan rata-rata $\vect v_i$ , rapat arusnya adalah

\vect j = \sum_in_iq_i\,\vect v_i \qquad (\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}) ,

dan kuat arus menembus permukaan terorientasi $S$ adalah fluks $I = \iint_S\vect j\cdot\vect n\,\dd S$ : muatan yang menyeberangi $S$ tiap satuan waktu. Untuk satu jenis saja, $\vect j = \rho_m\vect v$ dengan $\rho_m = nq$ yaitu rapat muatan yang dapat bergerak.

Kiri: sebuah tabung arus — dalam rezim tunak kuat arus yang sama menyeberangi tiap penampangnya. Kanan: sebuah elektron dalam logam berkelok-kelok di antara tumbukan pada sekitar 106 m/s; medannya menambahkan hanyutan lambat, berlawanan dengan E, sepersekian milimeter tiap sekon. — Kiri: sebuah tabung arus — dalam rezim tunak kuat arus yang sama menyeberangi tiap penampangnya. Kanan: sebuah elektron dalam logam berkelok-kelok di antara tumbukan pada sekitar $10^6$ m/s; medannya menambahkan hanyutan lambat, berlawanan dengan $\vect E$ , sepersekian milimeter tiap sekon.

Contoh

Contoh 10.2 (Betapa lambat elektron menghanyut)

Tembaga mempunyai satu elektron hantaran tiap atom: $n = \rho_{\text{Cu}}N_A/M = 8900 \times 6.02 \times 10^{23}/0.0635 = 8.5 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}$ . Arus $10\,\mathrm{A}$ dalam kawat $1.5\,\mathrm{mm}^{2}$ berarti $j = 6.7 \times 10^{6}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ , dan kecepatan hanyutnya adalah $v = j/ne = 6.7 \times 10^6/(8.5 \times 10^{28} \times 1.6 \times 10^{-19}) = 0.5\,\mathrm{mm}/\mathrm{s}$ — dua jam tiap meter. Lampunya menyala seketika sebab medan yang mendorong elektronnya terbangun sepanjang seluruh kawatnya dalam hitungan nanosekon (ia berjalan hampir dengan kelajuan cahaya, seperti diperlihatkan kabel Bab 8): semua elektronnya berangkat bersama, seperti air dalam selang yang penuh.

Contoh 10.3 (Orde besar)

Petir, $30\,\mathrm{kA}$ dalam saluran berjari-jari $1\,\mathrm{cm}$ : $j \approx 1 \times 10^{8}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ . Kawat rumah tangga: $10^6$ – $10^7$ . Berkas elektron dalam tabung sinar katode, $1\,\mathrm{mA}$ pada $1\,\mathrm{mm}^{2}$ : $10^3$ . Serat saraf, $1\,\mathrm{nA}$ menembus $10\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ : $10^2$ . Berkas sebuah pemercepat partikel, $1\,\mathrm{A}$ pada bintik $0.1\,\mathrm{mm}^{2}$ : $10^7$ — dalam hampa, tanpa tumbukan sama sekali.

Baca dalam konteks →

Contoh

Istilah terkait