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 Δt 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=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 A/m².

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

Amperomierz jest to miernik, który służy do pomiaru natężenia prądu elektrycznego.

Gęstość prądu

Gęstość prądu określa natężenie prądu przypadające na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika.