Natężenie prądu (nazywane potocznie prądem elektrycznym) jest wielkością fizyczną charakteryzującą przepływ
prądu elektrycznego
zdefiniowaną jako stosunek wartości
ładunku elektrycznego
przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do
czasu
przepływu ładunku.
Definicja
Definicję tę zapisujemy formalnie jako
pochodną
ładunku po czasie:
Gdzie: (jednostki w
układzie SI
)
- dq – zmiana ładunku równoważna przepływającemu ładunkowi (
kulomb
),
- dt – czas przepływu ładunku (
sekunda
),
- I – natężenie prądu elektrycznego (
amper
).
Natężenie prądu oznaczamy literą I, a czasami literą i.
Gdy ilość ładunku przepływającego przez daną powierzchnię rozpatrywana jest jako
funkcja
czasu q(t), natężenie prądu i(t) jest także funkcją czasu określoną wzorem:
Związek z prędkością ruchu ładunków
Natężenie prądu elektrycznego można także wyrazić poprzez wielkości opisujące uporządkowany ruch ładunków elektrycznych:
gdzie:
- n - koncentracja nośników prądu wyrażona przez ich liczbę na jednostkę objętości,
- q - ładunek każdego z nośników,
- v - prędkość nośników ładunków w kierunku prostopadłym do powierzchni S, przez którą płynie prąd o natężeniu I.
Pomiar natężenia prądu
Przyrządy służące do pomiaru natężenia prądu elektrycznego to
amperomierze
. Urządzeniem do definicyjnego wyznaczania jednostki jest
waga prądowa
.
Do kontroli działania mierników oraz ich
kalibrowania
używa się kalibratorów prądu.
Związek z gęstością prądu
Przepływ prądu w
ośrodkach ciągłych
(np.
plazma
) opisuje się podając
gęstość prądu
. Gęstość prądu określa się jako ilość prądu przepływającego przez jednostkę powierzchni. Między gęstością a natężeniem prądu zachodzi związek:
gdzie (jednostki w układzie
SI
):
- I - natężenie prądu w
amperach
,
- j -
gęstość prądu
w amperach na metr kwadratowy,
- S - powierzchnia przez którą płynie prąd w metrach kwadratowych.
Natężenie prądu w obwodzie
Natężenie prądu płynącego w
obwodzie elektrycznym
zależy od źródła zasilającego ten obwód oraz
impedancji
obwodu. Źródła dzielą się na prądowe oraz napięciowe. Źródło prądowe to takie, które wymusza przepływ prądu o określonej wartości. Prąd w obwodzie zasilanym źródłem napięciowym zależy od wartości rezystancji zastępczej tego obwodu.
W przypadku wielu typowych obwodów prądu stałego, wartość natężenia płynącego prądu można wyznaczyć posiłkując się
prawem Ohma
. Podstawowym prawem dotyczącym przepływu prądu (niekoniecznie stałego) w obwodach elektrycznych jest
pierwsze prawo Kirchhoffa
.
Prąd znamionowy
Prąd znamionowy - jest to prąd, na który zostało zaprojektowane urządzenie przesyłające energię elektryczną lub prąd, jaki przepływa przez urządzenie odbierające energię elektryczną w normalnych warunkach pracy.
Dla wielu urządzeń będących odbiornikami energii elektrycznej natężenie prądu jest wielkością charakterystyczną podawaną często zamiennie z mocą urządzenia, ponieważ grupy urządzeń często projektowane są na określone
napięcie
znamionowe (np. urządzenia
AGD
). Dla urządzeń zasilających (baterie, akumulatory, prądnice) oraz przesyłających energię elektryczną (transformatory, zasilacze, kable, prostowniki, układy elektroniczne) prąd znamionowy określa maksymalne natężenie prądu, jakie mogą przenosić te urządzenia bez obawy o ich zniszczenie. Rozróżnia się również maksymalne natężenie prądu mogące płynąć w długim czasie, jak i natężenie mogące płynąć przez krótki czas.
Prąd chwilowy, średni i skuteczny
Oprócz urządzeń projektowanych na prąd stały w życiu codziennym spotyka się często odbiorniki lub źródła
prądu przemiennego
, tj. takiego, którego wartość można wyrazić wzorem:
gdzie:
- i(t) - wartość chwilowa w funkcji czasu t,
- Imax - wartość maksymalna, czyli
amplituda
,
- ω - tzw.
pulsacja
, którą można wyrazić przy pomocy
częstotliwości
f: ω = 2πf,
- φ -
faza
początkowa
Wartością średnią Iśr prądu określamy prąd o wartości:
Wartością skuteczną Isk prądu elektrycznego jest wartość prądu stałego, który przepływając przez
rezystor
o stałej
rezystancji
wytworzyłby w tym samym czasie identyczną
energię cieplną
, co prąd o wartości zmiennej. Można go określić wzorem:
W przypadku prądu przemiennego, tj. o przebiegu sinusoidalnym, wartość skuteczna wynosi , a wartość średnia jest równa zeru, dlatego wyraża się ją często w odniesieniu do połowy okresu i wynosi .
Zobacz też