Подробно о плотности электрического тока
Содержание
При наличии электрополя в проводящей среде и свободных носителей заряда в данной среде возникает электрический ток. Именно он является мерой измерения количества зарядов одного типа, которые протекают в проводнике за определенное время. Как известно из школьного курса физики, сила тока определяется величиной напряжения (разности потенциалов) и сопротивления данного участка цепи, что отражает закон Ома. Можно заметить, если в рассматриваемой электроцепи проводник имеет различное сечение, то в одно время на различных участках через единичный элемент площади будет проходить различное количество носителей электрозаряда.
Что называют плотностью тока
Плотность тока — это физическая величина, которая определяет количество носителей электрозаряда в конкретной точке. Она является векторной величиной, поскольку прямо пропорциональна концентрации носителей заряда и их скорости, а скорость — величина направленная (векторная).
Обозначается плотность электротока латинской буквой j. Допускается также обозначение большой буквой J. Раннее плотность обозначалась греческой буквой дельта δ.
Формула плотности тока выглядит следующим образом:
Плотность электрического тока измеряется в Кл/кв. м/с или А/кв. м. Обе единицы равноправны, но наиболее широкое применение в электротехнике нашла единица измерения плотности ампер на метр в квадрате. На практике обычно используется не метр в квадрате, а более малая величина — миллиметр (А/кв. мм). Единицы измерения электрозаряда и силы электротока связаны уравнением 1 Кл = 1 А*1 с.
Чем отличается плотность от силы тока
Сила и плотность тока — величины взаимосвязанные. Согласно определению, силой тока является поток вектора плотности тока через заданную фиксированную поверхность (в частном случае — через поперечное сечение проводника). Понятия электрический ток, сила и плотность электрического тока используются в теоретических и практических разделах физики, но, как правило, в области электротехники более удобно использовать силу элетротока, а при анализе движения носителей электрозаряда — плотность электротока (плотность тока проводимости).
Следует заметить, что существует большое количество типов приборов, позволяющих определить силу электротока, в то время как проводить прямые измерения плотности невозможно, поэтому это чисто теоретическая (расчетная) величина.
Физический смысл
В физическом понятии плотность тока — это мера измерения силы тока, протекающего через единицу площади сечения проводника. Самая простая аналогия для понимания понятия плотности тока — водопровод. Представьте, что участок водопровода от точки А до точки Б состоит из труб различного сечения. Поскольку в каждый момент времени через трубопровод протекает одинаковое количество жидкости, то, чем меньше диаметр трубы, соответственно, ее сечение, то тем больше проходит воды через единицу пощади.
Соответственно, можно рассматривать электрическую цепь, которая состоит из проводников различного поперечного сечения. Так как электроток в цепи имеет одинаковую величину, то через участки с малым и большим сечением за единицу времени проходит одинаковое количество носителей заряда. Следовательно, в более тонком проводнике на единицу площади припадает большее количество носителей.
Связь с законом Ома
Как было сказано выше, закон Ома гласит: сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению. Это только частный случай. Для большей полноты необходимо рассматривать закон Ома в дифференциальной форме. Здесь он напрямую связан с плотностью тока:
Особенности
Поскольку подвижные электрозаряды могут возникать не только в проводящей среде, то понятие плотности электротока используется в ряде иных случаев.
Плотность тока насыщения
Принцип работы электровакуумных и газоразрядных приборов (электронных ламп, рентгеновских трубок, электронных микроскопов) основан на движении электронов в вакууме или газе. В данном контексте плотность электротока характеризует эмиссионную способность катода, то есть, его способность испускать электроны в нагретом состоянии.
Высокая частота
Если рассматривается не постоянный электрический ток, а переменный, то следует учитывать скин-эффект. Суть эффекта в том, что переменный электроток высокой частоты распределяется не равномерно по сечению проводника, а преимущественно в наружном (поверхностном) слое. При этом, чем выше частота, тем тоньше слой, по которому происходит распространение носителей электрозаряда.
Таким образом, если рассматривать проводники одинакового сечения при работе на постоянном электротоке или высокочастотном, то во втором случае плотность электротока будет тем больше, чем выше частота, поскольку в передаче электротока будет использоваться лишь тонкий поверхностный слой проводника. В связи с этим производят покрытие высокочастотных элементов электрических цепей металлом с малым электрическим сопротивлением — серебром.
Применение
Плотность тока в проводнике имеет большое практическое значение. Прохождение электротока вызывает нагрев проводника. Величину нагрева можно найти в зависимости от силы протекающего электротока и сопротивления провода. Поскольку на всех участках линейной цепи сила электротока одинакова, то более тонкий проводник имеет большее сопротивление и на нем выделяется большее количество теплоты.
Существуют предельные нормы допустимой плотности электротока в зависимости от условий работы проводников и их материала. Превышение норм вызывает недопустимый нагрев вплоть до расплавления материала. Данное свойство используется в плавких электрических предохранителях, в которых материал и его сечение подобраны таким образом, что превышение плотности электротока сверх нормы вызывает практически мгновенное перегорание и размыкание электрической цепи.
Также плотность тока используется в электролизе. Так называют процесс выделения составляющих веществ из раствора электролита при прохождении через него электрического тока или нанесение металлических покрытий. Увеличение плотности тока повышает коэффициент полезного действия электролизных установок при разложении электролита, но снижает качество металлического покрытия.
Разные проводники имеют разную плотность электротока. Сейчас преимущественно используются медные провода, для которых этот параметр составляет 6-10 А/кв. мм. Об этом следует помнить, создавая электроцепи для длительной эксплуатации.
Загрузка...
