Плотность электрического тока

Что такое плотность тока

Ток в один ампер, с другой стороны, представляет собой один кулон заряда, проходящий через определенное место каждую секунду. По мнению физиков, обычный ток определяется как ток, который движется от относительно положительных мест к отрицательным. Электроны — наиболее распространенные носители отрицательного заряда, и они переходят из отрицательного состояния в положительное.

Плотность тока находится в обратной зависимости от площади поперечного сечения проводника и прямо пропорциональна количеству проходящего по нему тока. Таким образом, чем больше ток, тем выше значение плотности тока. Аналогично проводник с большой площадью поперечного сечения будет иметь меньшую плотность тока при том же количестве проходящего по нему тока, что и проводник с меньшей площадью поперечного сечения.

Плотность тока одинакова в каждой точке точно однородного проводника с одинаковыми размерами и площадью поперечного сечения. Это справедливо для подавляющего большинства токопроводящих кабелей, которые мы видим в повседневной жизни. Из-за особенностей используемых нами проводов направление плотности тока может свободно меняться.

Предполагается, что направление плотности тока совпадает с направлением движения положительного заряда. Это соглашение соответствует традиционному направлению тока.

Для работы электрохимических преобразователей энергии

Плотность тока — это показатель эффективности работы гальванических элементов, особенно электродов топливных элементов, электролизеров и редокс-батарей. Чем выше это значение, тем больше электрической энергии может выдать элемент. Для дальнейшего развития гальванических элементов важны значения плотности тока и напряжения ячейки — двух важнейших электрических параметров для оценки состояния гальванических элементов в процессе эксплуатации.

В электротехнике эти два параметра также являются основой для описания электротехнических моделей гальванических элементов. Для исследований и разработок измерение плотности тока с пространственным разрешением с помощью множества датчиков тока, распределенных по площади электродов, позволяет получить не только одно значение плотности тока, но и множество значений плотности тока, что позволяет проанализировать каждую область гальванического элемента.

Значение

В любой электрической или электронной системе понятие плотности тока имеет решающее значение. Она определяет выходную мощность и эффективность любой цепи. Для расчета плотности тока в большинстве схем используются размеры заранее определенных или предварительно измеренных цепей.

Плотность тока в электрической цепи также учитывается при оценке ее безопасности. Цепи с высокой плотностью тока склонны к перегреву и разрушению, что может привести к катастрофе для работников. Плотность тока должна контролироваться в допустимых пределах, чтобы сохранить проводящие свойства материала. Проводящие характеристики проводников незначительно изменяются при повышении температуры.

При проектировании электрических и электронных систем большое значение имеет плотность тока. Высокая плотность тока приводит к возникновению достаточно мощного магнитного поля. Если величина магнитного поля становится слишком большой, оно может начать мешать работе окружающих компонентов.

Из-за электромагнитных помех материалы, составляющие спай между проводами, могут перемещаться при высоких плотностях тока. Этот процесс известен как электромиграция. Неконтролируемая и нерегулируемая плотность тока может привести к потере сверхпроводниками своих сверхпроводящих характеристик. Поэтому плотность тока в таких цепях постоянно контролируется, чтобы сохранить работоспособность схемы.

В чем измеряется

Единица измерения — амперы на квадратный сантиметр (А/см²).

Как найти, формула

Плотность тока (J) обозначается в амперах на квадратный метр (A/m²). Формула для плотности тока имеет вид:

J = I/A

Где:

J — плотность тока в амперах на квадратный метр (А/м²).
I — электрический ток в амперах (A), протекающий по проводнику.
A — площадь поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению протекания тока, измеряемая в квадратных метрах (м²).
Эта формула иллюстрирует, что плотность тока увеличивается с ростом силы тока и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения. Плотность тока — полезное понятие в электротехнике и физике, особенно при анализе поведения проводников и проектировании электрических цепей, чтобы убедиться, что они могут безопасно пропускать необходимый ток без перегрева.

В качестве примера найдем плотность тока в медном проводе с площадью поперечного сечения 4 квадратных миллиметра, по которому течет ток 6 мА. Используя формулу J = I/A

Ток I = 6 мА = 0,006 A

Площадь A = 4 кв. мм = 0,004 кв. м

J = I/A = 0,006 Ампер / 0,004 кв. м = 1,5 Ампер/кв. м.

Электродвижущая сила и напряжение в формуле

Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение — понятия, тесно связанные с электрическими цепями и потоком электрического заряда.

Электродвижущая сила: термин используется в физике для описания разности потенциалов между двумя источниками электрической энергии, такими как батареи или генераторы. ЭДС отвечает за движение электрического тока по цепи. Важно отметить, что ЭДС не является силой в традиционном смысле этого слова; это разность потенциалов, которая обеспечивает энергию, необходимую для перемещения зарядов по цепи.

Напряжение: напряжение, часто называемое разностью электрических потенциалов или электрическим потенциалом, — это единица измерения электрической потенциальной энергии между двумя точками в электрической цепи на единицу заряда. Проще говоря, давление — это то, что заставляет электрические заряды перемещаться из одной точки в другую. Для измерения напряжения обычно используются вольты (В).

Поверхностная плотность заряда

Измерение электрических зарядов, собранных на поверхности, называется плотностью поверхностного заряда. Для расчета плотности поверхностного заряда могут использоваться заряды на единицу площади поверхности. Единицей СИ для формулы поверхностной плотности тока является См-2 или С/м2. Формула поверхностной плотности тока имеет вид

σ=q/A

Здесь q представляет собой заряд, а A — площадь поверхности.

Проводимость

Количество тока или зарядов, проходящих через поверхность проводимости за время t, называется плотностью тока проводимости. В этом случае поверхность проводимости параллельна току.

Формула плотности тока проводимости Jc = σE.

Здесь Jc обозначает плотность тока проводимости, E — электрическое поле, а σ — электропроводность.

Размерность физической величины

Формула имеет вид:

[M0 L-2 T0 I1]

Где:

M — масса;
I — ток;
L — длина;
T — время.

Вектор плотности тока

Вектор плотности тока определяется как вектор, величина которого представляет собой электрический ток на единицу площади поперечного сечения в данной точке пространства, а его направление соответствует движению положительных зарядов в этой точке.

Примеры решения задач

Решение:

Ток I = 40 A

Площадь A = 10 м2

Формула плотности тока J = I/A = 40/10

J = 4 ампера/ м2

Плотность тока J = 4 ампера/ м2.

Решение:

Дано:

Общий ток I равен 5 мА

Общая площадь A равна 5 мм2

Плотность тока J = I / A

= 5×10-3 / 5×10-3

= 1 А/м2.

Решение:

Дано:

A = 23 мм2
= 0.000023 m2,

I = 8 мА = 0,008 A

Так как: J = I/A

= 0.008 / 0.000023

= 347,82 А/м2.

Решение:

Ток I = 2 x 10-3

A = 10 x 10-3

Таким образом, плотность тока (J) = 2 x10-3/ 10 x 10-3

J = 0,20 A/м2

Поэтому плотность тока = 0,20 А/м2.

Решение:

Дано:

A = 3 мм2
= 0.000003 m2,

I = 9 мА = 0.009 A

Так как: J = I/A

= 0.009 / 0.000003

= 3000 А/м2.