PRĄD ELEKTRYCZNY. Definicja pojęcia - prąd elektryczny
Ekologia.pl Wiedza Encyklopedia prąd elektryczny
Definicja pojęcia:

prąd elektryczny

Prąd elektryczny – uporządkowany (ukierunkowany) przepływ ładunków elektrycznych od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego zachodzący w środowisku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego powstającego w wyniku różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy końcami przewodnika (przyłożonego napięcia). Zjawisko prądu elektrycznego w przewodnikach wiąże się z ruchem elektronów, w półprzewodnikach – z ruchem elektronów i dziur elektronowych, w przewodnikach elektrolitycznych – z przepływem jonów dodatnich (kationów) i jonów ujemnych (anionów), w gazach – z ruchem jonów i wolnych elektronów (tzw. wyładowaniami elektrycznymi). Główną wielkością charakteryzującą prąd elektryczny jest jego natężenie (I) definiowane jako wielkość ładunku elektrycznego (q) przenoszonego przez cząstki naładowane (tzw. nośniki ładunku elektrycznego) przez daną powierzchnię przewodnika w określonej jednostce czasu (t). Prąd elektryczny, w zależności od wartości natężenia i kierunku przepływu ładunków elektrycznych, może być prądem stałym (DC, ang. direct current) bądź prądem zmiennym (przemiennym) (AC, ang. alternating current).

Zjawisko prądu elektrycznego

Prąd elektryczny jest uporządkowanym (ukierunkowanym) ruchem ładunków elektrycznych od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego zachodzącym w środowisku przewodzącym pod wpływem działania pola elektrycznego powstającego w wyniku różnicy potencjałów elektrycznych między końcami przewodnika (przyłożonego napięcia). Wszystkie substancje wykazują swoistą zdolność do przewodzenia prądu, czyli przewodność elektryczną właściwą (konduktywność) (σ), która zależy m.in. od właściwości chemicznych, temperatury otoczenia, natężenia pola magnetycznego, ciśnienia zewnętrznego oraz warunków oświetlenia.

Substancje, w zależności od przewodności elektrycznej (σ), zróżnicowane są na:

Przewodniki i izolatory (dielektryki). Źródło: Shutterstock

Przepływ prądu elektrycznego w środowisku przewodzącym warunkowany jest obecnością cząstek naładowanych (tzw. nośników ładunku elektrycznego), do których zaliczane są:

  • swobodne elektrony walencyjne w pasmie przewodnictwa tworzące tzw. gaz elektronowy (przewodniki metaliczne);
  • elektrony walencyjne w pasmie przewodnictwa i dziury elektronowe w pasmie podstawowym (walencyjnym) (półprzewodniki);
  • jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony) powstające w wyniku elektrolizy stopów i roztworów wodnych substancji jonowych (elektrolity);
  • jony dodatnie (kationy), jony ujemne (aniony) i wolne elektrony (tzw. wyładowania elektryczne) (zjonizowane gazy).

Pole elektryczne, warunkujące ruch ładunków elektrycznych w środowisku przewodzącym (przepływ prądu elektrycznego), wytwarzane jest w zamkniętym obwodzie elektrycznym przez źródła prądu, np. ogniwa galwaniczne (baterie), ogniwa fotoelektryczne (fotoogniwa), ogniwa termoelektryczne (termoogniwa), prądnice elektryczne (prądu stałego i zmiennego).

Natężenie prądu elektrycznego

Przepływ prądu elektrycznego, czyli wielkość ładunku elektrycznego (q) przenoszonego przez naładowane cząstki (nośniki) przez daną powierzchnię przekroju poprzecznego przewodnika w określonej jednostce czasu (t), definiowany jest ilościowo za pomocą wielkości fizycznej określanej mianem natężenia prądu elektrycznego (I):

I=q/t

gdzie:
I – natężenie prądu elektrycznego [A],
q – ładunek elektryczny [C],
t – czas przepływu ładunku elektrycznego przez poprzeczny przekrój przewodnika [s].

Natężenie prądu elektrycznego (I) można także wyrazić z uwzględnieniem średniej prędkości cząstek naładowanych (np. elektronów, dziur elektronowych, jonów) przenoszących ładunki elektryczne przez określone pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika:

I=qnvS

gdzie:
I – natężenie prądu elektrycznego [A],
q – ładunek elektryczny [C],
n – liczba nośników ładunku elektrycznego przypadających na jednostkę objętości (gęstość nośników ładunku elektrycznego) [1/m³],
v – średnia prędkość nośników ładunku elektrycznego (tzw. prędkość dryfu) [m/s],
S – pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika [m²].

Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper (A) definiowany jako przepływ jednego kulomba ładunku elektrycznego (1 C = 6,2 · 10¹⁸ elektronów) przez pole powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika w czasie jednej sekundy (A=C/s). Do pomiaru natężenia prądu elektrycznego służy urządzenie zwane amperomierzem.

Przepływ prądu w przewodniku metalicznym. Źródło: Shutterstock

Napięcie elektryczne

Napięcie elektryczne stanowi różnicę potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma punktami określonego obwodu lub pola elektrycznego, która warunkuje przepływ prądu elektrycznego. Napięcie elektryczne (UAB) definiowane jest jako stosunek pracy (W_(A→B)) wykonanej przez siły pola elektrycznego wytworzonego podczas przenoszenia ładunku elektrycznego pomiędzy dwoma punktami obwodu lub pola elektrycznego (A, B) do wartości tego ładunku (q):

UAB=W(A→B)/q

gdzie:
UAB – napięcie elektryczne [V],
W_(A→B) – praca wykonana podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami A i B obwodu lub pola elektrycznego [J],
q – wartość ładunku elektrycznego [C].


Napięcie elektryczne (U) w obwodach elektrycznych prądu stałego można również wyznaczyć z uwzględnieniem mocy prądu elektrycznego (P) (pracy wykonanej przez prąd elektryczny w jednostce czasu) oraz natężenia prądu elektrycznego (I) (wielkości ładunku elektrycznego przepływającego przez obwód w określonym czasie):

U=P/I

gdzie:
U – napięcie elektryczne [V],
P – moc prądu elektrycznego [W],
I – natężenie prądu elektrycznego [A].

Jednostką napięcia prądu elektrycznego w układzie SI jest wolt (V) definiowany jako różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami przewodu liniowego, w którym płynie prąd stały o natężeniu jednego ampera zaś moc wydzielana pomiędzy tymi punktami jest równa jednemu watowi (V=W/A). Do pomiaru napięcia elektrycznego służy woltomierz.
 

Ukierunkowany ruch jonów w roztworze elektrolitu pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego. Źródło: Shutterstock

Prawo Ohma – proporcjonalność napięcia i natężenia prądu elektrycznego

Prawo Ohma jest podstawowym prawem fizycznym dotyczącym obwodów elektrycznych prądu stałego opisującym związek pomiędzy napięciem elektrycznym, natężeniem prądu elektrycznego oraz oporem elektrycznym (rezystancją). Prawo Ohma zakłada, że natężenie prądu elektrycznego (I) płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia elektrycznego (U) przyłożonego do końców przewodnika (gałęzi obwodu elektrycznego nie zawierających źródła energii):

U= I∙R

gdzie:
U – napięcie elektryczne (różnica potencjałów elektrycznych) [V],
I – natężenie prądu elektrycznego [A],
R – współczynnik proporcjonalności (opór elektryczny) [Ω].

Opór elektryczny (oporność elektryczna, rezystancja) stanowi zaburzenie przepływu prądu elektrycznego w przewodniku spowodowane zderzeniami nośników ładunków elektrycznych (elektronów) z atomami przewodnika. Opór elektryczny zależy głównie od kształtu, rozmiaru i właściwości elektrycznych przewodnika zgodnie z poniższą zależnością:

R=ρ l/S

gdzie:
R – opór elektryczny (rezystancja) [Ω],
ρ – opór właściwy przewodnika (zależny od właściwości materiału, z którego wykonany jest przewodnik) [Ωm],
l – długość przewodnika [m],
S – pole przekroju poprzecznego przewodnika [m²].

Jednostką oporu elektrycznego jest om (Ω) równoważny oporowi elektrycznemu pomiędzy dwoma punktami przewodnika, w którym pod przyłożonym napięciem o wartości jednego wolta (V) płynie prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera (A) (Ω=V/A). Do pomiaru oporu elektrycznego służy omomierz.

Prawo Ohma nie jest prawem uniwersalnym; jego stosowanie ogranicza się do określonego rodzaju materiałów i ustalonych warunków przepływu prądu elektrycznego (np. temperatury przewodnika). Jego założenia dotyczą przewodników metalicznych (np. miedzi, żelaza, złota) i przewodników elektrolitycznych określanych nazwą przewodników omowych (liniowych). Prawo Ohma nie jest stosowane dla półprzewodników i gazów (przewodników nieliniowych).

Energia prądu elektrycznego

Energia prądu elektrycznego (energia elektryczna) stanowi energię przekazywaną przez prąd elektryczny odbiornikowi, który wykorzystuje ją do wykonania określonej pracy lub zmienia ją w inną formę energii. Energia prądu elektrycznego (E) przepływająca lub pobierana przez urządzenie elektryczne definiowana jest jako iloczyn napięcia na odbiorniku (U), natężenia prądu płynącego przez odbiornik (I) i czasu przepływu prądu przez odbiornik (t):

E=U∙I∙t=P∙t

gdzie:
E – energia prądu elektrycznego [J],
U – napięcie elektryczne [V],
I – natężenie prądu elektrycznego [A],
t – czas przepływu prądu [s],
P – moc prądu elektrycznego [W].

Energia prądu elektrycznego może być zamieniona w następujące formy energii:

Jednostką energii elektrycznej w układzie SI jest dżul (J) (watosekunda), jednak dla określenia zużycia energii elektrycznej używa się głównie jednostek zwanych kilowatogodzinami (kWh)  (1 kWh = 3,6 MJ) lub megawatogodzinami (MWh) (1 MWh = 1000 kWh). Do pomiaru ilości przepływającej energii elektrycznej wykorzystywane są liczniki energii elektrycznej.

Prąd stały i zmienny

Prąd elektryczny, w zależności od wartości natężenia i kierunku przepływu ładunków elektrycznych, może być prądem stałym bądź prądem zmiennym (przemiennym). Prąd stały (DC, ang. direct current) charakteryzuje się stałą, nie ulegającą zmianie wraz z upływem czasu wartością natężenia i niezmiennym kierunkiem ładunków elektrycznych przemieszczających się od bieguna dodatniego do ujemnego ze stałą średnią prędkością. Prąd stały używany jest do zasilania większości układów elektronicznych (np. komputerów, telefonów komórkowych, telewizorów, odtwarzaczy, oświetlenia LED) z wykorzystaniem przenośnych źródeł energii (np. baterii, akumulatorów) lub zasilaczy sieciowych. Stosowany jest również do zasilania silników elektrycznych, różnego rodzaju przekaźników i przenoszenia energii elektrycznej na duże odległości za pomocą elektroenergetycznej sieci przesyłowej (linii wysokiego napięcia).

Prąd zmienny (AC, ang. alternating current) cechuje się losowymi i nieprzewidywalnymi zmianami wartości natężenia w czasie i zmiennym kierunkiem przemieszczania się nośników ładunków elektrycznych. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje prądu zmiennego – prąd okresowo zmienny (np. prąd tętniący, prąd przemienny) zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub danym zjawiskiem fizycznym oraz prąd nieokresowy cechujący się dowolnymi zmianami natężenia. Prąd zmienny wykorzystywany jest do zasilania domowych instalacji elektrycznych, elementów grzejnych (np. żelazka, czajników elektrycznych, grzałek kuchenki elektrycznej), oświetlenia (np. żarówek), silników indukcyjnych i transformatorów.

Silnik elektryczny jest urządzeniem, w którym energia prądu elektrycznego ulega zmianie w energię mechaniczną.  Źródło: Shutterstock
Indeks nazw
Szukaj lub wybierz według alfabetu
A B C D E F G H I J K L Ł M N O P Q R S Ś T U V W X Y Z Ź Ż
Organizacje ekologiczne
Liga Ochrony Przyrody
Znaki ekologiczne
Euroliść
Euroliść
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments