Natężenie prądu

Zapamiętaj

Prąd elektryczny jest uporządkowanym ruchem nośników ładunku elektrycznego.

Natężenie prądu określa ładunek przepływający przez przekrój przewodnika w jednostce czasu:

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

Jednostką natężenia prądu jest amper:

\(1\ \text{A}=1\ \frac{\text{C}}{\text{s}}\)

Umowny kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich.

W metalach elektrony poruszają się przeciwnie do umownego kierunku prądu.

Jeżeli w ośrodku znajdują się swobodne nośniki ładunku elektrycznego, to pod wpływem pola elektrycznego mogą rozpocząć uporządkowany ruch. 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 drugą stronę.

Umownie przyjmuje się, że kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich. W metalach nośnikami prądu są elektrony, które poruszają się przeciwnie do umownego kierunku prądu.

W zewnętrznym obwodzie zasilanym źródłem napięcia stałego umowny kierunek prądu jest od bieguna dodatniego źródła do bieguna ujemnego.

natężenie prądu

Definicja natężenia prądu

Natężenie prądu \(I\) określa, jaki ładunek elektryczny \(\Delta Q\) przepływa przez przekrój poprzeczny przewodnika w czasie \(\Delta t\).

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

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).

Z zależności \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\) wynika, że:

\(1\ \text{A}=1\ \frac{\text{C}}{\text{s}}\)

Prąd o natężeniu jednego ampera oznacza, że w ciągu jednej sekundy przez przekrój przewodnika przepływa ładunek jednego kulomba.

Obecnie obowiązuje nastepująca 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 ma stałe natężenie i niezmienny kierunek przepływu.

Prąd zmienny ma natężenie zmieniające się w czasie.

Prąd przemienny jest prądem zmiennym, którego kierunek przepływu okresowo się zmienia.

Prąd przemienny jest więc szczególnym przypadkiem prądu zmiennego.

Gęstość prądu

Jeżeli prąd jest równomiernie rozłożony na przekroju przewodnika i płynie prostopadle do tego przekroju, wartość gęstości prądu wynosi:

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

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?

W 2019 roku zmieniono definicje części podstawowych jednostek SI tak, aby opierały się na dokładnie ustalonych wartościach fundamentalnych stałych fizycznych. Dzięki temu definicje jednostek są bardziej uniwersalne i nie zależą od materialnych wzorców ani od konkretnego sposobu wykonania doświadczenia pomiarowego.

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 przewodnictwa w metalu poruszają się bardzo szybko i chaotycznie. Po przyłożeniu pola elektrycznego na ten ruch nakłada się niewielka uporządkowana prędkość, nazywana prędkością unoszenia.

Prędkość unoszenia jest zwykle bardzo mała w porównaniu z charakterystycznymi prędkościami ruchu elektronów i w typowych warunkach może być rzędu ułamków milimetra na sekundę lub milimetrów na sekundę.

Dodatkowe materiały edukacyjne

Zobacz, czym naprawdę jest amper. Interaktywna symulacja natężenia prądu pozwala policzyć ładunek przepływający przez przekrój przewodnika i na własne oczy sprawdzić definicję I = ΔQ/Δt. Pięć zakładek prowadzi od nośników prądu w metalu, elektrolicie, gazie i półprzewodniku, przez gęstość prądu w przewężonym przewodzie i zaskakująco wolną prędkość unoszenia elektronów, aż po różnicę między prądem stałym, zmiennym i przemiennym. Losowe zadania rachunkowe, miniquiz kierunku prądu i ćwiczenia z rozwiązaniami zamieniają oglądanie w naukę.

Symulacja