Характеристики електричного струму

Всі заряджені тіла взаємодіють один з одним за допомогою електричних сил, які для нерухомих частинок описуються законом Кулона. При відносному русі заряджених частинок сила взаємодії змінюється. Отже, рухомі частинки створюють поле, відмінне від електростатичного, таке поле називається магнітним. Якщо заряджені частинки рухаються хаотично, то сумарне магнітне поле виявляється рівним нулю. Тому при описі русі заряджених частинок найбільший інтерес представляє усереднене спрямований рух, що приводить до перенесення електричного заряду.

В даний час широко відомо, що електричні заряди мають дискретну структуру, тобто носіями зарядів є елементарні частинки – електрони, протони і т.д. Однак у більшості практично значимих випадків ця дискретність зарядів не проявляється, тому модель суцільний електрично зарядженої середовища добре описує явища, пов’язані з рухом заряджених частинок, тобто з електричним струмом.

У електростатиці ми ввели поняття об’ємної щільності електричного заряду ρ, як усередненої характеристики розподілу дискретних точкових зарядів. У рамках цієї ж моделі можна говорити про рух зарядів як про рух деякої суцільного середовища і використовувати математичний апарат, розглянутий нами при описі руху рідини, тобто ввести поняття швидкості руху «електричної рідини в даній точці», векторного поля швидкостей, лініях струму і т .буд. Однак нас цікавить не стільки рух самої «електричної рідини», скільки електричний заряд переносимий нею.

Таким чином, щільністю електричного струму називається векторна фізична величина, модуль якої дорівнює кількості електричного заряду, що протікає в одиницю часу через майданчик одиничної площі, розташовану перпендикулярно напрямку руху заряду, а напрямок збігається з напрямком переносу електричного заряду.

За визначенням, сила струму є скалярною фізичною величиною, яка описує рух електричних зарядів усереднено – будучи характеристикою, що описує властивості струму в межах деякої майданчики цілком, без конкретизації розподілу в межах розглянутої поверхні.

При перебігу електричного струму по проводах, розподілу струму в поперечному перерізі дроту мало цікаво – цілком достатньо знати значення сумарного струму через поперечний перерізі дроту, так ця фізична величина дозволяє знаходити цікаві характеристики – потужність, що передається енергію і так далі. Тому часто саме силу електричного струму визначають як заряд, що протікає через поперечний переріз провідника за одиницю часу і вважають основною характеристикою електричного струму.

Як вже зазначалося раніше одиниця сили електричного струму Ампер (позначається А), є основною одиницею міжнародної системи одиниць СІ. Суворе визначення цієї одиниці ми дамо пізніше, на підставі закону взаємодії електричних струмів. Характерні значення сил струмів, використовуваних в побутових приладах, складають величини порядку одного ампера, так лампочка розжарювання потужністю 100 Вт споживає електричний струм трохи менше, ніж 0,5 А.

Оцінимо швидкість спрямованого руху електронів в металевих провідниках. Раніше ми оцінили концентрацію вільних електронів у міді, отримавши значення n ≈ 8 • 1022 см-3 = 8 · 1028 м-3. Якщо електричний струм силою в I = 1 А протікає по мідному провіднику з площею поперечного перерізу S = 1 мм2, то для оцінки середньої швидкості руху електронів (заряд яких e ≈ 1,6 · 10-19 Кл) можна скористатися співвідношенням I = jS = en <υ> SI = jS = en <υ> S

При силі струму в 10А швидкість спрямованого руху електронів «досягає» величини порядку міліметра в секунду! І за таких мізерних швидкостях ці рухомі електрони переносять значну енергію.

Щоб уникнути можливих непорозумінь, підкреслимо, що ми оцінили швидкість спрямованого руху електронів, а не швидкість поширення струму. При підключенні мережі до джерела струму рух зарядів у всіх провідниках починається практично миттєво – електричне поле, що змушує рухатися електрони, поширюється по провіднику зі швидкістю світла (триста тисяч кілометрів на секунду). Аналогічно, при відкриванні водопровідного крана практично миттєво вся вода в трубі починає рухатися – пружні сили, що приводять воду в рух, поширюються зі швидкістю звуку у воді (кілька тисяч кілометрів на секунду), хоча вода може рухатися по трубі дуже повільно.

Посилання на основну публікацію