Prąd elektryczny: definicja, jednostka, wzór, typy (z przykładami)

Ładunek elektryczny: Jaką automatyczną reakcję wywołuje ta fraza, gdy ją czytasz? Może uczucie mrowienia, a może obraz błyskawicy rozdzierającej niebo? Kolorowy pokaz migających świateł w mieście takim jak Paryż czy Las Vegas? Może nawet owad, który jakoś świeci w ciemności, gdy przemierza twój kemping?

Do ostatnich stuleci naukowcy nie tylko nie mieli możliwości zmierzenia prędkości światła, ale także nie mieli pojęcia, jakie zjawiska fizyczne leżą u podstaw tego, co obecnie znane jest jako „elektryczność”. W XIX wieku fizycy po raz pierwszy zrozumieli maleńkie cząstki biorące udział w przepływie prądu (wolne elektrony), a także naturę sił zmuszających je do ruchu. Było jasne, że elektryczność mogłaby zdziałać wiele dobrego, gdyby mogła być bezpiecznie „wytwarzana” lub „przechwytywana”, a energia elektryczna wykorzystywana do wykonywania pracy.

Przepływ ładunku elektrycznego występuje łatwo w substancjach sklasyfikowanych jakomateriały przewodzące, podczas gdy jest to utrudnione w tych znanych jako

​Prąd elektrycznyjest średnią szybkością przepływu ładunku elektrycznego (tj. ładunku na jednostkę czasu) przez punkt w przestrzeni. Ta opłata jest ponoszona przezelektronyporuszający się po przewodzie w obwodzie elektrycznym. Im większa liczba elektronów przechodzących przez ten punkt na sekundę, tym większa wielkość prądu.

Jednostką prądu w układzie SI jest amper (A), często nieformalnie nazywany „amperem”. Sam ładunek elektryczny jest mierzony w kulombach (C).

• Ładunek pojedynczego elektronu wynosi -1,60 × 10^-19 C, podczas gdy to naprotonma taką samą wielkość, alepozytywnyw znaku. Ta liczba jest uważana zaopłata podstawowa​ ​mi. Podstawową jednostką ampera jest zatem kulomb na sekundę (C/s).

Umownie,prąd elektryczny płynie w kierunku przeciwnym do przepływu elektronów. Dzieje się tak, ponieważ kierunek prądu został opisany, zanim naukowcy wiedzieli, które nośniki ładunku poruszają się pod wpływem pola elektrycznego. Z praktycznego punktu widzenia ładunki dodatnie poruszające się w kierunku dodatnim oferują te same właściwości fizyczne (obliczeniowe) powodują, że ładunki ujemne poruszają się w kierunku ujemnym, jeśli chodzi o elektryczność obecny.

Elektrony poruszają się w kierunku dodatniego zacisku w obwodzie elektrycznym. Przepływ elektronów lub poruszający się ładunek jest zatem z dala od ujemnego zacisku. Ruch elektronów w drucie miedzianym lub innym materiale przewodzącym również generujepole magnetycznektóry ma kierunek i wielkość określone przez kierunek prądu elektrycznego, a tym samym ruch elektronów; jest to zasada, na którejelektromagnesjest zbudowany.

Dla podstawowego scenariusza prądu konwencjonalnego ładunku poruszającego się przez przewód wzór na prąd jest określony wzorem:

gdzienieto liczba opłat na metr sześcienny (m³), ​mijest podstawowym ładunkiem,ZAjest polem przekroju drutu, oraz​v_re​jestprędkość znoszenia​.

Chociaż prąd ma zarówno wielkość, jak i kierunek, jest wielkością skalarną, a nie wektorową, ponieważ nie podlega prawom dodawania wektorów.

​Prawo Ohmapodaje wzór na określenie prądu, który popłynie przez przewodnik:

gdzieVjestNapięcie, lubróżnica potencjałów elektrycznych, mierzone w woltach, orazRjest elektryczność?odpornośćdo aktualnego przepływu, mierzonego wohm​ (Ω).

Pomyśl o napięciu jako „siłie ciągnącej” (chociaż ta „siła elektromotoryczna” nie jest dosłownie siłą) charakterystyczną dla ładunków elektrycznych. Kiedy przeciwstawne ładunki są rozdzielone, przyciągają się do siebie w sposób, który zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości między nimi. Jest to luźno analogiczne do grawitacyjnej energii potencjalnej w mechanice klasycznej; grawitacja „chce”, aby wysokie rzeczy spadły na Ziemię, a napięcie „chce”, aby oddzielone (przeciwne) ładunki zderzyły się ze sobą.

Wolty są równoważne dżulom na kulomb lub J/C. W ten sposób mają jednostki energii na jednostkę ładunku. Prąd razy napięcie daje zatem jednostki (C/s)(J/C) = (J/s), co przekłada się na jednostki mocy (w tym przypadku elektrycznej):

Połączenie tego z prawem Ohma daje początek innym użytecznym zależnościom matematycznym związanym z przepływem prądu: P = I²R i P = V²/R. Pokazują one między innymi, że przy ustalonym poziomie prądu moc jest proporcjonalna do rezystancji, natomiast jeśli napięcie jest stałe, moc jestodwrotnieproporcjonalna do oporu.

Podczas gdy poruszające się ładunki (prąd) indukują pole magnetyczne, samo pole magnetyczne może indukować napięcie w przewodzie.

• ​Prąd stały (DC):Dzieje się tak, gdy wszystkie elektrony płyną nieprzerwanie w tym samym kierunku. Jest to rodzaj prądu w obwodzie podłączonym do standardowej baterii. Oczywiście baterie mogą dostarczać i dostarczają tylko znikomą ilość energii potrzebnej do zasilania człowieka cywilizacja, choć coraz lepsza technologia w obszarze ogniw słonecznych daje nadzieję na większy potencjał dla magazynowanie energii.
• ​Prąd przemienny (AC):Tutaj elektrony oscylują tam iz powrotem (w pewnym sensie „wibrują”) bardzo szybko. Ten rodzaj prądu jest często łatwiejszy do wygenerowania w elektrowni, a także skutkuje mniejszymi stratami energii na dużych odległościach, dlatego jest obecnie stosowanym standardem. Każda żarówka i inne urządzenie elektryczne w standardowym domu z początku XXI wieku jest zasilane prądem zmiennym.

W przypadku prądu przemiennego napięcie zmienia się w sposób sinusoidalny i jest podawane w dowolnym momencietwyrażeniem V = V₀grzech (2πft), gdzieV₀jest napięciem początkowym ifato częstotliwość lub liczba pełnych cykli napięcia (maksymalna do minimalnej z powrotem do maksymalnej wartości) w każdej sekundzie.

Amperomierz to urządzenie, które służy do pomiaru prądu, łącząc go szeregowo – a nigdy równolegle – w obwodzie elektrycznym. (Obwód równoległy ma wiele przewodów między złączami – innymi słowy przy źródle zasilania, kondensatorach i rezystorach – w obwodzie.) Działa na zasadzie, że prąd jest taki sam przez wszystkie części przewodu między nimi skrzyżowania.

Amperomierz ma znaną, niską rezystancję wewnętrzną i jest ustawiony tak, aby dawaćugięcie w pełnej skali(FSD) przy danym poziomie prądu, często 0,015 A lub 15 mA. Jeśli znasz napięcie i manipulujesz rezystancją za pomocą funkcji rezystancji bocznikowej amperomierza, możesz określić prąd; wiesz jaka jest wartość obecnego przepływupowinienużywać prawa Ohma.

1. Oblicz prędkość dryfu elektronów w cylindrycznym drucie miedzianym o promieniu 1 mm lub 0,001 m) przewodzącym prąd 15 A, biorąc pod uwagę, że dla miedzi n = 8,342 × 10²⁸ e/m³.

StrefaZAprzekroju drutu πr²lub π(0.001)² = 3.14 10^-6 m².

• Znak ujemny wskazuje, że kierunek jest przeciwny do kierunku przepływu prądu, jak oczekiwano dla elektronów.

2. Znajdź prąd I w obwodzie 120 V, który ma szeregowo rezystory 2 Ω, 4 Ω i 6 Ω.

Rezystory połączone szeregowo są po prostu addytywne (w obwodach równoległych suma całkowitej rezystancji jest sumą odwrotności poszczególnych wartości rezystancji). A zatem:

3. Obwód ma całkowitą rezystancję 15 Ω i przepływ prądu 20 A. Jaka jest moc i napięcie w tym obwodzie?