
Figura 9.1 Imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) folosește magneți supraconductori și produce imagini de înaltă rezoluție fără pericolul radiațiilor. Imaginea din stânga arată distanța dintre vertebre de-a lungul coloanei vertebrale umane, cercul indicând locul în care vertebrele sunt prea aproape din cauza unui disc rupt. În dreapta este o imagine a instrumentului RMN, care înconjoară pacientul pe toate părțile. Este necesară o cantitate mare de curent electric pentru a funcționa electromagneții
În acest capitol, studiem curentul electric printr-un material, unde curentul electric este viteza de curgere a sarcinii. De asemenea, examinăm o caracteristică a materialelor cunoscută sub numele de rezistență. Rezistența este o măsură a cât de mult un material împiedică fluxul de sarcină și se va demonstra că rezistența depinde de temperatură. În general, un bun conductor, cum ar fi cuprul, aurul sau argintul, are o rezistență foarte scăzută. Unele materiale, numite supraconductori, au rezistență zero la temperaturi foarte scăzute.
Pentru funcționarea electromagneților sunt necesari curenți mari. Supraconductorii pot fi folosiți pentru a face electromagneți de 10 ori mai puternici decât cei mai puternici electromagneți convenționali. Acești magneți supraconductori sunt utilizați în construcția de dispozitive de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN) care pot fi utilizați pentru a realiza imagini de înaltă rezoluție ale corpului uman. Imaginea de deschidere a capitolului arată o imagine RMN a vertebrelor unui subiect uman și a dispozitivului RMN în sine. Magneții supraconductori au multe alte utilizări. De exemplu, magneții supraconductori sunt utilizați în Large Hadron Collider (LHC) pentru a curba traseul protonilor în inel.
9.1 Curent electric
Până acum, am luat în considerare în primul rând sarcinile statice. Când sarcinile s-au deplasat, acestea au fost accelerate ca răspuns la un câmp electric creat de o diferență de tensiune. Sarcinile au pierdut energie potențială și au câștigat energie cinetică pe măsură ce au călătorit printr-o diferență de potențial în care câmpul electric a lucrat asupra sarcinii.
Deși sarcinile nu necesită ca un material să curgă, cea mai mare parte a acestui capitol se ocupă de înțelegerea mișcării sarcinilor printr-un material. Rata cu care sarcinile curg pe lângă o locație – adică, cantitatea de sarcină pe unitatea de timp – este cunoscută sub numele de curent electric. Atunci când sarcinile circulă printr-un mediu, curentul depinde de tensiunea aplicată, de materialul prin care trec sarcinile și de starea materialului. De interes deosebit este mișcarea sarcinilor într-un fir conductor. În capitolele precedente, sarcinile au fost accelerate datorită forței furnizate de un câmp electric, pierzându-se energie potențială și câștigând energie cinetică. În acest capitol, discutăm situația forței furnizate de un câmp electric într-un conductor, în care sarcinile cedează energie cinetică materialului atingând o viteză constantă, cunoscută sub numele de „viteza de derivă”. Acest lucru este analog cu un obiect care cade prin atmosferă și pierde energie cinetică în aer, atingând o viteză terminală constantă.
Dacă ați urmat vreodată un curs de prim ajutor sau siguranță, este posibil să fi auzit că, în caz de șoc electric, curentul, nu tensiunea, este factorul important pentru severitatea șocului și cantitatea de deteriorare a corpului uman. Curentul se măsoară în unități numite amperi; este posibil să fi observat că întrerupătoarele din casa dvs. și siguranțele din mașină sunt evaluate în amperi. Dar ce este amperul și ce măsoară el?
Definirea curentului și a amperului
Curentul electric este definit ca fiind viteza cu care curge sarcina. Când există un curent mare, cum ar fi cel folosit pentru a funcționa un frigider, o cantitate mare de sarcină se deplasează prin fir într-o perioadă mică de timp. Dacă curentul este mic, cum ar fi cel folosit pentru a opera un calculator portabil, o cantitate mică de sarcină se deplasează prin circuit pe o perioadă lungă de timp.
CURENTUL ELECTRIC
Curentul electric mediu I este viteza cu care curge sarcina, (9.1) Iave = ΔQ/Δt, unde ΔQ este cantitatea de sarcină netă care trece printr-o anumită zonă a secțiunii transversale în timpul Δt (Figura 9.2). Unitatea SI pentru curent este amperul (A), numit după fizicianul francez André-Marie Ampère (1775–1836). Deoarece I = ΔQ/Δt, vedem că un amper este definit ca un coulomb de sarcină care trece printr-o zonă dată pe secundă: (9.2) 1 A ≡ 1 C/s. Curentul electric instantaneu, sau pur și simplu curentul electric, este derivata în timp a sarcinii care curge și se găsește luând limita curentului electric mediu ca Δt→0: (9.3) I = limΔt→0ΔQ/Δt = dQ/dt. |
Majoritatea aparatelor electrice sunt evaluate în amperii necesari pentru o funcționare corectă, la fel ca siguranțele și întreruptoarele de circuit.
Figura 9.2 Viteza de curgere a sarcinii este curentul. Un amper este fluxul unui coulomb de sarcină printr-o zonă într-o secundă. Un curent de un amper ar rezulta din 6,25×1018 electroni care curg prin zona A în fiecare secundă.
EXEMPLUL 9.1
Calcularea curentului mediu Scopul principal al unei baterii dintr-o mașină sau camion este de a porni motorul de pornire electric, care pornește motorul vehiculului. Operațiunea de pornire a vehiculului necesită un curent mare care să fie furnizat de baterie. Odată pornit motorul, un dispozitiv numit alternator preia puterea electrică necesară pentru funcționarea vehiculului și pentru încărcarea bateriei. (a) Care este curentul mediu implicat atunci când o baterie de camion pune în mișcare 720 C de sarcină în 4,00 s în timp ce pornește un motor? (b) De cât timp are nevoie 1,00 C de sarcină pentru a curge din baterie? Strategie Putem folosi definiția curentului mediu din ecuația I = ΔQ/Δt pentru a găsi curentul mediu din partea (a), deoarece sunt date sarcina și timpul. Pentru partea (b), odată ce cunoaștem curentul mediu, putem folosi definiția lui I = ΔQ/Δt pentru a găsi timpul necesar pentru ca 1,00 C de sarcină să curgă din baterie. Soluţie a. Introducerea valorilor date pentru sarcină și timp în definiția curentului dă I = ΔQ/Δt = 720 C/4,00 s = 180 C/s = 180 A. b. Rezolvând relația I = ΔQ/Δt pentru timpul Δt și introducerea valorilor cunoscute pentru sarcină și curent dă Δt = ΔQ/I = 1,00 C/180 C/s = 5,56×10−3 s = 5,56 ms. Semnificaţie a. Această valoare mare pentru curent ilustrează faptul că o sarcină mare este mutată într-o perioadă mică de timp. Curenții din aceste „motoare de pornire” sunt destul de mari pentru a depăși inerția motorului. b. Un curent mare necesită un timp scurt pentru a furniza o cantitate mare de sarcină. Acest curent mare este necesar pentru a furniza cantitatea mare de energie necesară pentru a porni motorul. |
EXERCIȚIUL 9.1
Exercițiu Calculatoarele portabile folosesc adesea celule solare mici pentru a furniza energia necesară pentru a finaliza calculele necesare pentru a finaliza lucrul pe ele. Curentul necesar pentru a rula calculatorul poate fi de până la 0,30 mA. Cât timp ar dura ca 1,00 C de sarcină să curgă din celulele solare? Pot fi folosite celule solare, în loc de baterii, pentru a porni motoarele tradiționale cu ardere internă, utilizate în prezent în majoritatea mașinilor și camioanelor? |
EXERCIȚIUL 9.2
Exercițiu Întreruptoarele de circuit dintr-o casă sunt evaluate în amperi, în mod normal, într-un interval de la 10 amperi până la 30 de amperi, și sunt utilizate pentru a proteja locuitorii de daune și aparatele lor de deteriorarea cauzată de curenți mari. Un singur întrerupător de circuit de 15 amperi poate fi folosit pentru a proteja mai multe prize din camera de zi, în timp ce un singur întrerupător de circuit de 20 de amperi poate fi folosit pentru a proteja frigiderul din bucătărie. Ce puteți deduce din asta despre curentul folosit de diferitele aparate? |
Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2021 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3
Lasă un răspuns