Elektrotechnika - to nie takie trudne! (część 1)

Stały prąd elektryczny

Prąd elektryczny w przewodnikach elektryczności jest zjawiskiem wywołanym obecnością wolnych ładunków elektrycznych (w metalach są to elektrony, w roztworach - jony), które pod wpływem działania zewnętrznego pola elektrycznego łatwo przechodzą do uporządkowanego ruchu postępowego. Ruch ten charakteryzuje się wektorem gęstości j, którego wartość jest równa ładunkowi przepływającemu w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię przekroju poprzecznego przewodnika, prostopadłą do kierunku prądu. Jako dodatni kierunek wektora gęstości j przyjęto kierunek ruchu ładunków dodatnich. Całkowity prąd I przepływający przez powierzchnię S jest równy sumie prądów przepływających przez powierzchnie elementarne tworzące powierzchnię S, tzn. jest równy całkowitemu ładunkowi przepływającemu przez S w jednostce czasu (znów ta całka!).

Dla znakomitej większości przewodników, przy stosunkowo słabych polach elektrycznych, zachodzi proporcjonalność pomiędzy gęstością prądu a natężeniem pola. Proporcjonalność ta zwana jest prawem Ohma i wyraża się wzorem:

gdzie σ jest tzw. konduktywnością materiału przewodnika, E - natężeniem pola

W przypadku przewodnika prostoliniowego o stałym przekroju zachodzą poniższe zależności:

gdzie znaczenie symboli j, I, L, S opisane jest powyżej, natomiast U jest zdefiniowanym wcześniej napięciem (różnicą potencjałów), przyłożonym do końców przewodnika. Dlatego też prawo Ohma można przedstawić nieco inaczej, w bardziej znanej postaci:

Wielkość

nazywana jest rezystywnością (oporem właściwym) przewodnika, a wielkość

nazywana jest rezystancją przewodnika. Natomiast wielkość będąca odwrotnością rezystancji

nazywana jest konduktancją przewodnika. Stosowanie w praktyce prawa Ohma jest o wiele prostsze niż powyższe wywody, jednak trzeba pamiętać, że konduktywność i konduktancja to nie to samo, podobnie jak rezystancja i rezystywność. Ale między wieloma innymi, właśnie takie uroki roztacza elektrotechnika przed swoimi adeptami :-).

Moc prądu elektrycznego

Podczas przepływu prądu elektrycznego w przewodniku wydziela się ciepło (skąd my to znamy?), które powstaje na skutek zderzeń poruszających się elektronów z jonami jego siatki krystalicznej. W wyniku tych zderzeń część energii kinetycznej elektronów przechodzi w energię drgań cieplnych jonów siatki. Ponieważ ładunek q przepływając przez rezystor R pod działaniem napięcia U wykonuje pracę dq*U w czasie dt (teraz męczę Czytelnika różniczkami, a nie całkami), to moc prądu elektrycznego wydzielona w rezystorze R (prawo Joula - Lenza) jest równa:

Oczywiście jednostką mocy prądu elektrycznego jest wat (W). Teraz przyszedł czas na wyjaśnienie jednego z podstawowych pojęć w elektrotechnice: obwodu elektrycznego.