Плотность электрического тока

Электрический ток – это сложный физический процесс, изучением и исследованием которого продолжают заниматься тысячи ученых, физиков, энергетиков по всему миру. Фактически, такое известное явление как электрический ток, представляет собой упорядоченное движение, перемещение электрических зарядов в определенном направлении по проводникам.

Установлено, что ток движется именно в том направлении, куда перемещаются положительно заряженные частицы. В противоположном направлении движению тока отмечается перемещение отрицательных зарядов.

Рассмотрим типы электрического тока, встречающиеся на практике!

Чтобы понимать, что такое плотность электрического тока и каким образом данный параметр оказывает влияние на протекающие процессы в различных сферах, необходимо вспомнить, какие виды электрического тока существуют.

Токи проводимости

Их появление обеспечивается воздействием электрического поля. Здесь, необходимо отметить, что для различных типов проводников характерны определенные свойства частиц, которые осуществляют перенос заряды. Это:

• Электроток металлов, представляющий собой направленное перемещение свободных электронов;
• Электроток, в ряде случаев, в некоторых твердых телах и полупроводниках, может образовываться благодаря ориентированному, направляемому движению ионов;
• В жидких проводниках, среде, относящейся к категории электролитов, электрический ток формируется за счет осуществляющих разнонаправленное движение положительно заряженных частиц и отрицательных ионов.

Иные виды токов

• Конвекционные или переносные токи. Они формируются, провоцируются при инерционном перемещении свободных электронов (второе название – переносные токи).
• Электротоки в вакуумной среде. Это не что иное, как поток электронов, создаваемый в электронной лампе.

Ключевые параметры

При исследовании такого физического явления, как электрический ток, специалистами выделен ряд показателей, на которые не только необходимо обращать внимание в процессе работы, но и исследовать их влияние на данную величину. Основными параметрами электрического тока являются:

• Сила тока.
• Плотность электрического тока в проводнике.

Известно, что сила тока определяется как скалярная величина. В абсолютных значениях она прямо пропорциональна проходящему в определенный временной отрезок заряду через поперечное сечение проводника. Одновременно, сила тока будет обратно пропорциональна длительности данного временного отрезка.

Установлено, что в природе существует всего 2 вида тока: постоянный и переменный.

• Постоянным является такой ток, в котором через сечение проводника за единицу времени (временной отрезок) будет проходить всегда одинаковое количество электричества. И еще одно важное условие – при этом, направление движения частиц не меняется.

Для существования в природе постоянного тока должны быть созданы (соблюдены) определенные условия, а именно:

• Наличие свободных носителей заряда;
• Существование постоянно действующего электрического поля;
• Факт замкнутой цепи, по которой осуществляется циркуляция носителей заряда.

Отличительная особенность переменного тока от постоянного заключается в том, что здесь осуществляется переменное направление движения электронов. Все зависит от частоты подключенного генератора. Если учесть, что у нас принят параметр 50 Гц, то всего за 1 секунду направление движения электронов изменится ровно 100 раз. Это позволяет нам не задумываясь включать в розетку вилку любой стороной без угрозы КЗ.

Плотность электрического тока

Такой параметр как плотность, используется в качестве одного из параметров, позволяющих получить количественную оценку электрического тока (постоянного и переменного).

Электрический ток характеризуется тем, что перемещается он, распространяется по поверхности проводника неравномерно, величина тока постоянно колеблется и меняется, что сказывается и на таком параметре, как плотность тока.

И вот то, насколько сильно колеблется и каким образом фактически происходит рассредоточение электричества, силы тока по поперечному сечению проводника и характеризуется плотностью тока. Данный параметр является величиной векторной и позволяет, одновременно с насыщенностью электротока определить параметры сети. Данная физическая характеристика не постоянна, она меняется под воздействием изменения внешних условий.

Вычисляется как параметр, прямо пропорциональный электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника и, одновременно, обратно пропорциональный определенному временному отрезку (промежутку), в течение которого указанная величина тока заряд протекает по цепи. Учитывается также и обратно пропорциональная зависимость к площади сечения проводника (диаметрального). Важно для понимания: вектор плотности тока (а ранее мы установили, что данный параметр – это величина векторная) всегда направлен вдоль оси по направлению движения электрического тока.

Для постоянного тока неизменной на всем протяжении исследуемого периода остается не только сила тока, но и его плотность. Данные параметры одинаковы во всех сечениях проводника. Поэтому, если с помощью специальных фиксирующих приборов будет установлено изменение силы тока, это означает, что ток переменный. Соответственно, меняется и плотность его. В соответствии с формулой: j = I / S, отмечаем, что плотность тока будет равна величине заряда, который проходит через сечение проводника за единицу времени. Рассматривается поверхность среза, сделанного перпендикулярно по отношению к направлению движения электронов.

Как уже было отмечено ранее, переменный ток в секунду 100 раз меняет направление движения электронов. Соответственно, предположение, что ток здесь распределяется по сечению так же равномерно, аналогично постоянному току.

На самом деле, у переменных токов распределение плотности по сечению будет неравномерным. Для данной ситуации характерным является неравномерное распределение плотности по сечению, а именно: плотность постепенно повышается от оси проводника к его периферии. Если обеспечить высокую частоту в цепи, весь ток будет располагаться на поверхности проводника, и толщина такого слоя составит не более нескольких микрон. Данное явление в кругах физиков именуется «скит-эффектом» (от англ. «поверхностный слой» или «кожа»).

Теперь мы знаем, чему равна плотность электрического тока. Напомним, что измеряется данный физический параметр в единицах тока А (Амперах), разделенных на квадратный метр (А / м ²).

Подведем итог

Предоставленная в разделе информация раскрывает такие показатели сети, как сила тока и его плотность. Кроме того, указаны варианты существования тока (постоянный и переменный), названы их характерные особенности.