Natężenie prądu

Jeżeli w ośrodku znajdują się ładunki elektryczne (dodatnie lub ujemne) i znajdą się one w zewnętrznym polu elektrycznym, to zaczną się one poruszać. Taki uporządkowany ruch ładunków elektrycznych nazywamy prądem elektrycznym.

Nośniki prądu elektrycznego

Poniższe zestawienie pokazuje co może być nośnikiem prądu elektrycznego w różnych ośrodkach.

metale, stopy metali - elektrony,
elektrolity - jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony),
zjonizowane gazy - jony dodatnie i ujemne oraz elektrony,
półprzewodniki - elektrony i dziury.

Kierunek prądu elektrycznego

Poniższa animacja ilustruje przepływ prądu elektrycznego w ośrodku, w którym znajdują się wolne elektrony oraz ładunki dodatnie. Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego ładunki dodatnie zaczynają się poruszać w jedną, a ujemne w druga stronę.

Przyjmuje się, że kierunek prądu elektrycznego jest kierunkiem ruchu ładunków dodatnich. Ładunki dodatnie poruszają się z miejsca o wyższym potencjale do miejsca o potencjale niższym. Elektrony zaś przeciwnie. Potocznie mówi się, że prąd płynie od "plusa" do "minusa".

natężenie prądu

Definicja natężenia prądu

Natężenie prądu \(I\) jest to stosunek ładunku \(Q\), który przepływa przez przekrój poprzeczny \(S\) ośrodka przewodzącego do czasu \(\Delta t\) przepływu tego ładunku.

\(I=\frac{Q}{\Delta t}\)

Poziom zaawansowany

Powyższy wzór jest prawdziwy dla stałego natężenia. Jeżeli jednak zmienia się ono w czasie, to natężenie prądu jest równe pochodnej ładunku elektrycznego względem czasu. To tak zwane natężenie chwilowe.

\(I=\frac{dQ}{dt}\)

Jednostka natężenia prądu

Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest 1 amper (A).

Definicja ampera nie jest jednak prosta w definicji . Należy zaznaczyć, że jest to jedna z podstawowych jednostek w układzie SI.

Definicja obowiązująca do 20 maja 2019 roku była następująca:

Amepr (A) jest to natężenie prądu stałego, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich, cienkich, o przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m, wywołuje między tymi przewodnikami siłę równą 2·10-7 N na każdy metr długości przewodnika.

Obecnie obowiązuje inna definicja:

Amper (oznaczenie A) jest to jednostka SI prądu elektrycznego. Jest ona zdefiniowana poprzez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej ładunku elementarnego e, wynoszącej 1,602 176 634×10^-19, wyrażonej w jednostce C, która jest równa A s, gdzie sekunda zdefiniowana jest za pomocą ∆ν_Cs.

Zatem:

Jeden amper jest prądem elektrycznym odpowiadającym przepływowi 1/(1,602 176 634×10⁻¹⁹) ładunków elementarnych na sekundę.

Prąd stały, prąd zmienny i przemienny

Z uwagi na natężenie prądu, a także jego kierunek dokonujemy rozróżnienia:

Prąd stały jest to taki prąd elektryczny, którego natężenie i kierunek nie zmieniają się w czasie.

Prąd zmienny to taki prąd elektryczny, którego natężenie jest zmienne w czasie.

Prąd przemienny to taki prąd elektryczny, którego kierunek zmienia się w czasie.

Gęstość prądu

Gęstość prądu \(j\) jest to natężenie prądu przypadające na jednostkę powierzchni.

\(j=\frac{I}{S}\)

gdzie:

\(j\) - gęstość prądu,
\(I\) - natężenie prądu,
\(S\) - pole przekroju poprzecznego przewodnika.

W istocie gęstość prądu jest wielkością wektorową.

Jednostką gęstości prądu jest \(\frac{A}{m^2}\).

Pytania

Dlaczego zmieniono definicję ampera?

Pierwotna definicja ampera opierała się na jednostce siły (niuton), który z kolei opiera się o definicję jednostki masy - 1 kg. Kilogram to do niedawna bardzo niestabilna jednostka, określana przez masę wzorcowego walca. Naukowcy potrzebują definicji jednostek w oparciu o uniwersalne stałe fizyczne, a nie fizycznych wzorców materialnych.

Jak obliczać natężenie prądu, jeżeli w ośrodku poruszają się różne ładunki?

Jeżeli po przyłożeniu napięcia do ośrodka poruszają się jony ujemne i dodatnie, to natężenie prądu całkowitego jest sumą natężeń prądów wytworzonych przez każdy z rodzajów tych nośników.

Co to jest ∆ν_Cs?

To częstotliwość promieniowania przejścia kwantowego między dwoma nadsubtelnymi poziomami atomu cezu 133 w stanie podstawowym, ∆ν_Cs = 9 192 631 770 s^-1. Wielkość ta służy dziś za wzorzec czasu.

Czym mierzy się natężenie prądu?

Do pomiaru natężenia prądu stosuje się amperomierz.

Jak szybko poruszają się elektrony w przewodniku podczas przepływu prądu?

Elektrony swobodne w przewodniku zachowują się jak gaz doskonały (gaz elektronowy), którego cząsteczki posiadają prędkość ruchu cieplnego. W temperaturze pokojowej średnia prędkość elektronów swobodnych wynosi nawet 100 000 m/s! Jest to jednak ruch chaotyczny, bez wyróżnionego kierunku. Gdy przyłożymy do końca przewodnika napięcie elektryczne, zaobserwujemy uporządkowany ruch w jednym kierunku - to prąd elektryczny. Elektrony poruszają się w tym kierunku z tak zwaną prędkością unoszenia. Jest ona niewielka, bo poniżej 1 mm/s! Dlaczego zatem po przyłożeniu napięcia prąd od razu płynie w całym przewodniku? Dlatego, że oddziaływanie elektryczne rozchodzi się z prędkością światła i obejmuje wszystkie elektrony swobodne w przewodniku niemalże od razu.

Amperomierz

Gęstość prądu