7 Bài tập Liên hệ giữa cường độ dòng điện với mật độ và tốc độ của các hạt mang điện (có lời giải)

Vận tốc trôi của electron: \(v = \frac{I}{{{\rm{\;Sne\;}}}} = \frac{{2,8}}{{3,2 \cdot {{10}^{ - 6}} \cdot 8,5 \cdot {{10}^{28}} \cdot 1,6 \cdot {{10}^{ - 19}}}} \approx 0,064 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{\;m}}/{\rm{s}}\)

a) Điện lượng do dòng điện (1) đi qua tiết diện thẳng của dây trong khoảng thời gian từ \({t_1} = 2{\rm{\;s}}\) đến \({t_2} = 4{\rm{\;s}}\): \({\rm{\Delta }}{q_1} = {I_1}\left( {{t_2} - {t_1}} \right) = 5 \cdot \left( {4 - 2} \right) = 10{\rm{C}}\)

b) Điện lượng do dòng điện (2) đi qua tiết diện thẳng của dây trong khoảng thời gian từ \({t_1} = 3{\rm{\;s}}\) đến \({t_2} = 6{\rm{\;s}}\): \({\rm{\Delta }}{q_2} = {I_2}\left( {{t_4} - {t_3}} \right) = 3 \cdot \left( {6 - 3} \right) = 9{\rm{C}}\)

Áp dụng: \(I = {S_1}ne{v_1} = {S_2}ne{v_2} \Rightarrow {S_1}{v_1} = {S_2}{v_2} \Rightarrow {S_1}\frac{{{\ell _1}}}{{{t_1}}} = {S_2}\frac{{{\ell _2}}}{{{t_2}}}\).

Vì cùng một lượng kim loại nên: \({S_1}{\ell _1} = {S_2}{\ell _2} \Rightarrow {t_1} = {t_2} = 4\) giờ 30 phút.

Vậy thời gian trung bình một electron đi từ đầu đến cuối đoạn dây vẫn không đổi và bằng 4 giờ 30 phút.

Điện lượng: \(q = It = 1,0.3600 = 3600{\rm{C}}\).

Diện tích bề mặt Trái Đất: \(S = 4\pi {r^2} = 4\pi {(6400000)^2} = 5,{147.10^{14}}{\rm{\;}}{{\rm{m}}^2}\).

Mật độ điện tích trên bề mặt Trái Đất mặt: \(\sigma = \frac{q}{S} = \frac{{3600}}{{5,147 \cdot {{10}^{14}}}} \approx 7 \cdot {10^{ - 12}}{\rm{C}}/{{\rm{m}}^2}.\)

Mật độ nguyên tử nhôm, với D là khối lượng riêng, A là số khối:

\(n = 3\frac{N}{V} = 3\frac{m}{A} \cdot \frac{{{N_{\rm{A}}}}}{V} = 3\frac{{D{N_{\rm{A}}}}}{A}\)

Thay vào: \(v = \frac{I}{{{\rm{\;Sne\;}}}} = \frac{{4IA}}{{3\pi {d^2}e{N_{\rm{A}}}D}}\)

\(\; = \frac{{4 \cdot 15 \cdot 27 \cdot {{10}^{ - 3}}}}{{3\pi {{\left( {3,0 \cdot {{10}^{ - 3}}} \right)}^2} \cdot 1,6 \cdot {{10}^{ - 19}} \cdot 6,022 \cdot {{10}^{23}} \cdot 2700}} = 0,073 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{\;m/s}} = 0,073{\rm{\;mm/s}}\)

Tốc độ dịch chuyển có hướng của electron tự do được xác định:

\(v = \frac{I}{{{\rm{\;Sne\;}}}} = \frac{I}{{\frac{{\pi {d^2}}}{4}{\rm{.ne\;}}}} = \frac{{4 \cdot 2}}{{\pi \cdot 4 \cdot {{10}^{ - 6}} \cdot 1,8 \cdot {{10}^{29}} \cdot 1,6 \cdot {{10}^{ - 19}}}} = 0,21 \cdot {10^{ - 4}}{\rm{\;m}}/{\rm{s}}{\rm{.\;}}\)