Конвертер поверхностной плотности тока • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Введение
Заряды, помещенные в электростатическое поле с разностью потенциалов приходят в движение. Это движение называется электрическим током, который определяется как направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц через любое поперечное сечение проводящей среды. Величина этого тока зависит от сопротивления проводящей среды этому движению зарядов, которое, в свою очередь, зависит от поперечного сечения проводника.
Следует отметить, что в электротехнике основные физические величины, то есть единица измерения силы электрического тока ампер и единица измерения электрического заряда кулон часто бывают связаны между собой с помощью единицы длины — метра. И это неспроста. Заряд, который протекает через поперечное сечение проводящей среды, часто бывает распределен неравномерно. Поэтому вполне естественно было бы определять поток заряженных частиц через единичное поперечное сечения или единичную длину, иными словами определять плотность тока. В этой статье мы сравним электрический ток и плотность тока, а также рассмотрим важность достижения, поддержания и измерения необходимой плотности тока в различных областях электротехники и электронной техники.
Определения
Электрический ток
Электрический ток I определяется как направленное движение электрических зарядов вдоль линии (например, тонкого провода), по поверхности (например, по листу проводящего материала) или в объеме (например, в электронной или газоразрядной лампе). В СИ единицей измерения силы электрического тока является ампер, определяемый как поток электрических зарядов через поперечное сечение проводника со скоростью один кулон в секунду.
Объемная плотность тока
Плотность тока (называемая также объемной плотностью тока) представляет собой векторное поле в трехмерном проводящем пространстве. В каждой точке такого пространства плотность тока представляет собой полный поток электрических зарядов в единицу времени, проходящий через единичное поперечное сечение. Обозначается объемная плотность векторным символом J. Если мы рассмотрим обычный случай проводника с током, то ток в амперах делится на поперечное сечение проводника. В СИ объемная плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр (А/м²).
Например, если по мощной шине электрической подстанции с поперечным сечением 3 х 33,3 мм = 100 мм² = 0,0001 м² течет ток 50 ампер, то плотность тока в таком проводнике будет составлять 500 000 А/м².
Линейная плотность тока
Иногда в электронных устройствах ток течет через очень тонкую пленку металла или тонкий слой металла, имеющий переменную толщину. В таких случаях исследователей и конструкторов интересуют только ширина, а не общее поперечное сечение таких очень тонких проводников. В этом случае они измеряют линейную плотность тока — векторная величину, равную пределу произведения плотности тока проводимости, протекающего в тонком слое у поверхности тела, на толщину этого слоя, когда последняя стремится к нулю (это определение по ГОСТ 19880-74). В Международной системе единиц (СИ) линейная плотность тока измеряется в амперах на метр и в системе СГС в эрстедах. 1 эрстед равен напряжённости магнитного поля в вакууме при индукции 1 гаусс. Иначе линейную плотность тока определяют как ток, приходящийся на единицу длины в направлении, перпендикулярном току.
Например, если ток величиной 100 мА течет в тонком проводнике шириной 1 мм, то линейная плотность тока равна 0,0001 A : 0,001 m = 10 ампер на метр (А/м). Линейная плотность тока обозначается векторным символом А.
Поверхностная плотность тока
Линейная плотность тока тесно связана с понятием поверхностной плотности тока , которая определяется как сила электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводящей среды единичной площади и обозначается векторным символом K. Как и линейная плотность тока, поверхностная плотность тока также является векторной величиной, модуль которой представляет собой электрический ток через поперечное сечение проводящей среды в данном месте, а направление перпендикулярно к площади поперечного сечения проводника. Такой проводящей средой может быть, например, проводник с током, электролит или ионизированный газ. В системе СИ плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр.
Вектор или скаляр?
Отметим, что в отличие от векторной плотности тока, сам ток является скалярной величиной. Это можно объяснить тем фактом, что ток определяется как количество зарядов, перемещающихся в единицу времени; поэтому было бы нецелесообразно добавлять направление к величине, представляющей количество в единицу времени. В то же время, плотность тока рассматривается в объеме с множеством поперечных сечений, через которые проходит ток, поэтому имеет смысл определять плотность тока как вектор или как векторное пространство. Можно также отметить, что плотность тока является вектором в связи с тем, что это произведение плотности заряда на скорость его перемещения в любом месте пространства.
Плотность тока в электротехнике и электронике
Высокая линейная плотность тока в проводах приводит к неприятным последствиям. Все проводники электрического тока имеют конечное сопротивление, из-за которого при протекании тока они нагреваются и рассеивают энергию в форме тепла. В связи с этим плотность тока должна поддерживаться невысокой, чтобы проводник при эксплуатации не нагревался выше допустимой температуры и, тем более, не расплавлялся. Перегрев может привести к разрушению изоляции или изменению электрических свойств, например, из-за образования оксидного слоя. Такой оксидный слой уменьшает поперечное сечение проводника, что, в свою очередь, ведет к еще большему увеличению плотности тока через проводник.
Микропроцессор Pentium P54CS содержит 3,3 миллиона транзисторов на кристалле площадью 90 кв. миллиметров или около 40 тысяч транзисторов на квадратный миллиметр
Линейная плотность тока широко используется при расчете и конструировании электронных и электрических систем. Она важна, например, при расчете интегральных микросхем, плотность элементов которых (количество элементов на единицу объема) постоянно повышается. Несмотря на то, что каждый элемент потребляет весьма малые токи, плотности тока в микросхеме могут быть очень высокими для достижения максимально возможного количества элементов в одной микросхеме. На заре развития микроэлектроники количество элементов в интегральных схемах удваивалось каждый год. Сейчас (в 2016 году) оно удваивается приблизительно раз в два года. Эта закономерность называется Законом Мура по имени одного из основателей Intel, который в 1965 году пришел к выводу об экспоненциальном росте производительности вычислительных устройств и сделал соответствующий прогноз на ближайшие десять лет. Позже, в 1975 году, Мур пересмотрел свой прогноз и предсказал, что производительность микропроцессоров будет удваиваться каждые два года.
Например, в выпущенном в 1971 году четырехбитном микропроцессоре Intel 4004 было всего 2300 транзисторов на кристалле площадью 3х4 мм или 12 кв. мм, что составляло всего около 200 транзисторов на квадратный миллиметр. Для сравнения, в выпущенном в 2013 году 12-ядерном микропроцессоре Power8 4,2 миллиарда транзисторов располагаются на кристалле размером 650 кв. мм. То есть на каждом кв. миллиметре расположено около 6,5 млн. транзисторов. При этом каждый транзистор потребляет определенный, хоть и весьма малый ток. Поскольку все они расположены в очень малом объеме, во весь рост встает проблема охлаждения таких микросхем.
Катушки магнитных антенн радиовещательных приемников средневолнового и длинноволнового диапазонов обычно наматывают литцендратом в шелковой или иной изоляции для уменьшения потерь, связанных со скин-эффектом
На переменном токе, особенно на высоких частотах, проводящая зона проводов находится только в их поверхностном слое, в результате чего увеличивается плотность тока в проводах, что приводит к потерям энергии на нагрев или даже на расплавление провода. Это явление уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводника называется скин-эффектом или поверхностным эффектом. Для уменьшения потерь на высоких частотах проводники покрывают серебром или золотом — материалами с малым удельным сопротивлением. Также часто вместо одного толстого провода используют несколько (от трех до тысячи и более) изолированных тонких проводов (литцендрат). В частности, именно литцендратом наматывают катушки индуктивности в индукционных печах.
При высоких плотностях тока происходит реальное перемещение материалов в соединениях, называемое электромиграцией . Такое перемещение вызвано дрейфом ионов материла, возникающем вследствие обмена количеством движения при столкновениях между носителями проводимости и атомной решеткой проводника. Эффект электромиграции играет существенную роль в тех случаях, когда токи имеют большую плотность, например, все в той же микроэлектронике, о которой говорилось выше. Чем большая достигнута плотность больших интегральных микросхем, тем более заметен этот эффект. В результате электромиграции может произойти как полное разрушение проводника, так и возникнуть новый проводник там, где его не должно быть, то есть происходит короткое замыкание. Таким образом, повышенная плотность тока приводит к уменьшению надежности интегральных схем. При конструировании микросхем обычно учитывают влияние электромиграции, поэтому современные микросхемы большой степени интеграции редко выходят из строя по этой причине.
Термин «плотность тока» или, более конкретно, поверхностная плотность тока в мА/см², вырабатываемая единичной площадью фотоэлемента солнечной батареи, часто используется в описании характеристик солнечных батарей. Плотность тока короткого замыкания фотоэлемента является важной характеристикой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Такой подход полезен для сравнения солнечных батарей различных изготовителей. В то время, как напряжение солнечной батареи определяется количеством индивидуальных фотоэлементов, ток, отдаваемый батареей, зависит главным образом от площади поверхности батареи, освещаемой солнечным светом, и эффективности фотоэлементов. Фотоэлементы часто выпускаются размером 100×100 мм = 100 см² и позволяют получить ток 3,5 А или плотность тока 3,5 : 100 = 35 мА/см² от каждого фотоэлемента. Отметим, что определение поверхностной плотности тока в фотоэлементах отличается от приведенного выше определения поверхностной плотности тока.
Хромированная душевая головка; поверхность пластмассы вначале покрывается в гальванической ванне слоем меди, затем никеля и последним наносится слой хрома
Плотность тока является одной из основных характеристик, определяющих качество изделий с гальваническим покрытием хромом и другими металлами. При хромировании на изделие из металла или пластмассы наносится тонкий слой хрома, который обладает декоративными свойствами и высокой стойкостью к коррозии. Хромирование используется также для увеличения твердости и износостойкости поверхностей и для уменьшения трения и повышения стойкости к коррозии в парах трения, работающих в жестких условиях. Также хромирование применяется для наращивания изношенных поверхностей деталей с целью восстановления их исходных размеров.
Для использования в автомобильной промышленности на стальные изделия наносят несколько гальванических покрытий, которые обеспечивают стойкость деталей к изменениям температуры и влажности при эксплуатации на открытом воздухе. Обычно используется тройное покрытие: первый слой меди, затем никель и, наконец, хром. Температура и плотность тока в ванне влияет на однородность хромового покрытия, что обеспечивает его чистоту, и, следовательно, отражающую способность.
Измерение плотности тока
Гальваническая ванна, в которой наносятся покрытия металлами — как раз то место, где необходимо измерять плотность тока в жидкой проводящей среде — электролите в гальванической ванне. При этом необходимо рассчитать или измерить площадь поверхности покрываемой металлом детали, а также измерить ток, протекающий в ванне от анода к детали. Выпускаются приборы, позволяющие непосредственно измерить плотность тока в любой точке ванны. Они позволяют работникам гальванического цеха точно измерить как идет процесс покрытия металлом в каждой точки изделия. Измеритель плотности тока электролита чаще всего состоит из датчика с маленькой тороидальной катушкой и измерительного блока с дисплеем, который измеряет ток, индуцированный в катушке током в электролите внутри нее. Процессор таких приборов определяет значение плотности тока в точке измерения исходя из измеренного тока и площади катушки и выводит его на дисплей прямо в А/фут² или A/дм².
Еще одним примером измерения плотности тока являются солнечные батареи. Обычно плотности токов короткого замыкания распределены неравномерно по поверхности фотоэлементов. Различия в плотностях тока могут быть обусловлены различными сроками существования носителей в фотоэлементе, различными расстояниями до выводов и другими факторами. Исследователям интересно получить карту распределения плотностей токов по всей площади фотоэлемента. Для измерения плотности тока фотоэлемент освещают очень узким потоком электронов или лучом света, который сканирует поверхность фотоэлемента. При этом регистрируется возникающий фототок. Таким образом создается карта плотностей тока, которую в дальнейшем можно использовать для оптимизации устройства.
Автор статьи: Анатолий Золотков
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
4. Дайте определение плотности тока. В каких единицах измеряется плотность тока? Как направлен вектор плотности тока?
Плотность тока j- векторная физическая величина , модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике и площади S поперечного сечения проводника:
В СИ единицей плотности тока является [A/м2]
Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц:
I = ∆ q / ∆ t ; (∆ q=q0nS∆l; ∆ t = ∆ l /V)
I = nvSq0, где: n — концентрация; q0 — единичный заряд ; v — средняя скорость упорядоченного движения частиц; S — площадь поперечного сечения проводника, через который течет ток, То плотность тока j = I/ S = nv Sq0/ S = nvq0.
5. Запишите закон Ома в дифференциальной форме и поясните все величины.
дифференциальная форма закона Ома.
где:
—вектор плотности тока,
—удельная проводимость,
—вектор напряжённости электрического поля.
интегральная форма
Вычислим R через — удельное сопротивление материала :
I=U/R=US/lследует что U= Il/S
E=U/l=Il/Sl=(I/S )*следует I/S=E/
1/= следует что
9 вопрос
При движении частицы в магнитном поле сила Лоренца не совершает работу , так как она всегда перпендикулярна скорости . отсюда следует что угол равен 90 градусов и значит cos равен 0
A=FS cos £=0 ( A=qVBsinβ*cos£) (A=F*r- скалярное произведение)
10 вопрос
dFA= IdlB sin £
Два прямых противоположно направленных тока будут отталкиваться друг от друга
Предположим , что они оба бесконечной длины
dF21= -I1dl (µ0I2 /2pir)
dF12=I2dl (-µ0I1/ 2 pi r)
dF21=dF12
Сила взаимодействия двух проводников с токами :
F= µ0I1I2dl / 2 pi r = µ0I1I2/ 2 pi r ( одинаковая длина проводника)
µ0— магнитная постоянная; I1I2 – силы токов ; r – расстояние между проводниками
17.
Закон Фарадея [править]
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):
где
— электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
—магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.
Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:
Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:
где
— электродвижущая сила,
— число витков,
— магнитный поток через один виток,
— потокосцепление катушки.
Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).
Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к(которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).
16.
Индукцио́нный ток — электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. Величина и направление индукционного тока определяются законом электромагнитной индукции и правилом Ленца.
Магни́тный пото́к — поток как интегралвектора магнитной индукции через конечнуюповерхность . Определяется через интеграл по поверхности
при этом векторный элемент площади поверхности определяется как
где —единичный вектор, нормальный к поверхности.
Также магнитный поток можно рассчитать как скалярное произведение вектора магнитной индукции на вектор площади:
где α — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости площади.
Магнитный поток через контур также можно выразить через циркуляцию векторного потенциала магнитного поля по этому контуру:
Каковы единицы измерения плотности? — Авто-ремонт
В международной системе единиц (СИ) плотность измеряется в кг/м³, а в системе СГС в г/см³.
Какие единицы измерения у плотности?
| Плотность | |
|---|---|
| Размерность | L−3 M |
| Единицы измерения | |
| СИ | кг/м³ |
| СГС | г/см³ |
Каковы единицы плотности тока?
Пло́тность то́ка, векторная характеристика электрического токаj, равная по модулю электрическому заряду, проходящему за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению упорядоченного движения заряженных частиц. Единицей измерения плотности тока является А/м2.
В чем измеряется плотность жидкости?
Полученное значение 1 кг/л и есть плотность воды, где кг/л — то, в чем измеряется плотность. Для прямого измерения плотности жидкости используются такие средства измерения, как ареометры или электронные плотномеры, как у компании — производителя плотномеров LEMIS Baltic.
Чем выше плотность?
Таким образом, плотность вещества показывает сколько килограммов вещества содержится в одном кубическом метре, или сколько граммов вещества содержится в одном кубическом сантиметре. Чем плотнее вещество, тем оно тяжелее. Газы имеют небольшую плотность, так как молекулы в них находятся далеко друг от друга.
Какая из единиц является единицей плотности вещества в СИ гсм3 м3кг кг м3?
В системе СИ единицей плотности считается килограмм на куб. метр (1кг/м3). В качестве единицы плотности в системе СГС применяют грамм на куб. см (г/см3).
Чему равно число ро?
Плотность равна отношению массы тела к его объёму. В физике плотность обозначают греческой буквой ρ (ро). плотность = масса объём ρ = m V , где m — масса, V — объём. Основной единицей плотности вещества является кг м 3 .
Как выразить силу тока через плотность тока?
Зная плотность тока, можно выразить силу тока как: I = ∫ S j n d S ( 14 ) , где интегрирование проводят по всей поверхности S любого сечения проводника.
Как вычислить плотности тока?
Плотность тока
- Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения проводника S, называется плотностью тока (обозначение δ).
- δ = I / S.
- При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника.
Чему равна предельная плотность тока для человека?
Безопасная для человека сила переменного тока составляет 0,3 мА. Предельная сила тока при вре- мени воздействия 1 с составляет 50 мА, а при времени 3 с – 6 мА.
Как называется прибор для измерения плотности жидкости?
Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей и твёрдых тел, принцип работы которого основан на Законе Архимеда. Считается, что ареометр изобрела Гипатия.
Чем определяется плотность?
Как уже говорилось, плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому объёму. Поэтому, числовые значения плотности вещества показывают массу принятой или указанной единицы объема этого вещества. Как видно из приведённого примера, плотность металла, в данном случае чугуна, 7 кг/дм3.
В чем измеряется плотность бумаги?
Плотность бумаги измеряется в граммах на метр квадратный. К примеру, если на упаковке офисной бумаги написано 80 г/м2, то это означает, что лист бумаги размером 1 метр на 1 метр весит 80 грамм. Чем выше плотность бумаги, тем толще сам бумажный лист.
Чем больше объем тем меньше плотность?
ρ=m/V; Единица измерения плотности в СИ- кг/м³; Чем больше объем тела, тем меньше плотность при постоянной массе. Чем меньше объем тела, тем больше плотность тела при постоянной массе.
Чем больше плотность жидкости?
Если плотность тела больше плотности жидкости, то тело уходит на дно. Если плотность такая же как у жидкости, то тело будет плавать полностью погрузившись в жидкость. А вот если плотность тела меньше, чем плотность жидкости, то тело будет плавать на поверхности.
Чем больше плотность жидкости тем больше давление?
Чем больше плотность жидкости, тем большее она оказывает давление. Чем толще слой жидкости, тем большее она оказывает давление.
Единица измерения плотности электротока: вектор и формула вычисления
Неравномерное распределение электротока по проводнику
Виды электротока, условия протекания
Частицы, несущие заряд, могут перемещаться в толще проводника беспорядочно или целенаправленно двигаться в определенном направлении. Во втором случае говорят о наличии электрического тока. Основная его характеристика – наличие вектора перемещения. Вектор токового движения идентичен направлению заряженных частиц.
Хаотичное и направленное перемещение заряженных частиц
Важно! Токовый ход может быть постоянным и переменным. В первом случае поток частиц перемещается четко в одном направлении по прямой, без колебаний и возмущений. Во втором – имеют место синусоидальные колебания с определенной частотой. Для трансформации (выпрямления) переменного электротока применяют специальные устройства. Вообще для существования константного тока требуется, чтобы с одного конца проводникового элемента все время имел место избыток отрицательно заряженных частиц, а со второго – дефицит. Также требуется сила, которая будет эти заряды перемещать.
Переменный ток, в противоположность постоянному, не требует соблюдения полярности. В отличие от постоянного, он имеет частоту – так называется количество смен направления перемещения частиц за единицу времени. В стандартной бытовой сети число таких смен равно 50 в секунду. Различные приборы, питающиеся от аккумуляторных элементов и батарей, а также бытовая техника, ноутбуки, стационарные компьютеры потребляют постоянный электроток. Сама батарея является генератором постоянного токового хода, но его можно инвертировать в переменный с помощью специальных устройств.
Ток, вызываемый электрополем, принято называть током проводимости. Элементарные частицы, переносящие заряд, отличаются у разных типов проводниковых материалов. В случае металлических элементов это свободные электроны, у части полупроводниковых материалов – целенаправленно движущиеся ионы. В электролитах (в том числе применяемых в аккумуляторных батареях) ионы с плюсовым и минусовым зарядами движутся в разные стороны. Последнее характерно для всех проводников, представляющих собой жидкости.
В конвекционном электротоке электроны перемещаются под действием инерции. Еще одна разновидность тока – протекающий в вакуумных условиях (такое явление применяется в электронных лампочках). Основными характеристиками электротока являются сила и плотность тока.
Направленное перемещение электронов в проводнике
Плотность тока и мощность
Работа, которую электрополе совершает над источниками токового движения, может быть охарактеризована плотностью мощности (она равна энергии, деленной на произведение объема проводника и временного периода). Самый распространенный путь данной мощности – рассеивание во внешнее пространство в качестве тепловой энергии. Но некоторая ее доля может превращаться в механическую энергию (например, при работе электрического двигателя) или в разные типы излучения.
Закон Ома
Для токопроводящей среды, обладающей изотропными характеристиками, данный закон имеет следующий вид:
j=E* σ,
где j – плотность идущего электротока, Е – полевая напряженность в рассматриваемой точке (скалярная величина, как и предыдущая), а σ – удельная проводимость средового окружения.
Что касается работы электрополя для такой среды (
w= E2* σ=j2/σ=p*j2 (p здесь – удельное сопротивление).
Выражение для работы в этом случае примет вид:
w=E* σ *E=j*p*j (E и j в данном случае – скалярные величины).
В матрице справа налево умножают столбчатый вектор на строчной и на матрицу. Тензорные величины р и σ генерируют релевантные им квадратичные формы.
Единица измерения плотности электротока
Для выражения плотностной величины применяется производная от единиц измерения токовой силы (Ампер) и площади поперечного разреза (квадратный метр), а также дольных и кратных указанным. Обычно плотность измеряется в амперах, разделенных на квадратный метр (А/м2). Вместо слова «плотность» иногда используют «насыщенность электрического тока».
Важно! Поскольку величина имеет направление, она относится к категории векторных (или скалярных). Этот вектор проходит вдоль оси электрического тока.
Формула вычисления
Рассматриваемая величина находится в обратной зависимости от размеров сечения (чем больше площадь, тем меньше плотность тока) и временного периода прохождения электрозаряда и в прямой – от величины этого заряда.
Это можно записать так:
j=Δq/ΔtΔS (q тут – элементарно малый заряд, t – бесконечно малый промежуток времени, а S – площадь сечения).
Так как токовая сила выражается как частное заряда и временного промежутка его прохода, формулу можно записать и так:
j= I/ΔS.
Формула плотности тока с опорой на параметры перемещающихся зарядов будет выглядеть так:
j=q*n*V (V тут – скорость, а n – концентрация электронных частиц).
4-вектор плотности тока
Данное обозначение из теории относительности призвано обобщать явление плотности на пространственно-временной континуум, оперирующий четырьмя измерениями. Такой четырехвектор включает в себя трехвекторное выражение токовой плотности (скалярной величины) и имеющей объем плотности электрического заряда. Использование четырехвектора дает возможность формулировать электродинамические уравнения ковариантным образом.
Рассматриваемая величина необходима для описания концентрации и равномерности распределения заряженных микрочастиц по проводниковому материалу, в котором существует та или иная форма электротока. При оперировании с выражениями, содержащими величину, нужно не забывать о ее скалярности.
Видео
Плотность тока проводимости, смещения, насыщения: определение и формулы
В данной статье мы рассмотрим плотность тока и формулы для нахождения различных видов плотности тока: проводимости, смещения, насыщения.
Плотность тока – это векторная физическая величина, характеризующая насколько плотно друг к другу располагаются электрические заряды.
Плотность тока проводимости
Ток проводимости – это упорядоченное движение электрических зарядов, то есть обыкновенный электрический ток, который возникает в проводнике. В большинстве случаев, когда речь заходит о токе, имеют ввиду именно ток проводимости.
В данном случае плотность тока – это векторная характеристика тока равная отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника (перпендикулярному по отношению к направлению тока). Эта величина показывает насколько плотно заряды располагаются на всей площади поперечного сечения проводника. Она обозначается латинской буквой j. Модуль плотности электрического тока пропорционален электрическому заряду, который протекает за определенное время через определенную площадь сечения, расположенную перпендикулярно по отношению к его направлению.
Если рассмотреть идеализированной проводник, в котором электрический ток равномерно распределен по всему сечению проводника, то модуль плотности тока проводимости можно вычислить по следующей формуле:
j – Плотность тока [A/м2]
I – Сила тока [A]
S – Площадь поперечного сечения проводника [м2]
Исходя из этого мы можем представить силу тока I как поток вектора плотности тока j, проходящий через поперечное сечение проводникаS. То есть для вычисления силы тока, текущей через определенное поперечное сечение нужно проинтегрировать (сложить) произведения плотности тока в каждой точке проводника jn на площадь поверхности этой точки dS:
I – сила тока [А]
jn — составляющая вектора плотности тока в направлении течения тока (по оси OX) [A/м2]
dS — элемент поверхности площади [м2]
Исходя из предположения, что все заряженные частицы двигаются с одинаковым вектором скорости v, имеют одинаковые по величине заряды e и их концентрация n в каждой точке одинаковая, получаем, что плотность тока проводимости j равна:
j – плотность тока [А/м2]
n – концентрация зарядов [м-3]
e – величина заряда [Кл]
v – скорость, с которой движутся частицы [м/с]
Плотность тока смещения
В классической электродинамике существует понятие тока смещения, который пропорционально равен быстроте изменения индукции электрического поля. Он не связан с перемещением каких-либо частиц поэтому, по сути, не является электрическим током. Несмотря на то, что природа этих токов разная, единица измерения плотности у них одинаковая — A/м2.
Ток смещения – это поток вектора быстроты изменения электрического поля ∂E/∂t через S — некоторую поверхность. Формула тока смещения выглядит так:
JD — ток смещения [А]
ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(H·м2)
∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]
ds – площадь поверхности [м2]
Плотность тока смещения определяется по следующей формуле:
для вакуума:
для диэлектрика:
jD — ток смещения [А/м2]
ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(H·м2)
∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]
∂D/∂t — скорость изменения вектора эл. индукции [Кл/м2·с)]
Плотность тока насыщения
В физической электронике используют понятие плотности тока насыщения. Эта величина характеризует эмиссионную способность металла, из которого сделан катод, и зависит от его вида и температуры.
Плотность тока насыщения выражается формулой, которая была выведена на основе квантовой статистики Ричардсоном и Дешманом:
j – плотность тока насыщения[А/м2]
R — среднее значение коэффициента отражения электронов от потенциального барьера
A — термоэлектрическая постоянная со значением 120,4 А/(K2·см2)
T— температура [К]
qφ — значение работы выхода из катода электронов [эВ], q – электронный заряд [Кл]
k — постоянная Больцмана, которая равна 1,38·10-23 Дж/К
Понравилась статья, расскажите о ней друзьям:
Скорее всего, Вам будет интересно:
Сила и плотность тока.-}{dt}\left(2\right).\]
Положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов. Ток может быть постоянным и переменным. В том случае, если сила тока и его направление не изменяется во времени, то такой ток называют постоянным и для него выражение для силы тока можно записать в виде:
\[I=\frac{q}{\triangle t}\left(3\right),\]где сила тока определена, как заряд, который проходит через поверхность S в единицу времени. В системе СИ основной единицей измерения силы тока является Ампер (А).
\[1A=\frac{1Кл}{1с}.\]Плотность тока. Связь плотности тока с зарядом и силой тока, напряженностью
Выделим в проводнике, по которому течет ток, малый объем dV произвольной формы. Обозначим через $\left\langle v\right\rangle $— среднюю скорость, с которой движутся носители заряда в проводнике. пусть $n_0\ $— концентрация носителей заряда. Выберем бесконечно малую площадку dS на поверхности проводника, которая перпендикулярно скорости $\left\langle v\right\rangle $ (рис.{-19}Кл$ — заряд электрона, то есть отдельной частицы — носителя тока. Разделим выражение (4) на $dSdt$ получим:
\[j=\frac{dq}{dSdt}\left(5\right),\]где $j$ — модуль плотности электрического тока.
\[j=n_0q_e\left\langle v\right\rangle \left(6\right),\]где $j$ — модуль плотности электрического тока в проводнике, где заряд переносят электроны.
Если ток образуется в результате движения нескольких типов зарядов, то плотность тока можно определить как:
\[j=\sum\limits_i{n_iq_i\left\langle v_i\right\rangle \left(7\right)},\]где i — определяет носитель заряда.
Плотность тока — векторная величина. Обратимся вновь к рис.1. Пусть $\overrightarrow{n}$ — единичная нормаль к площадке dS. Если частицы, которые переносят заряд положительные, то переносимый ими заряд в направлении нормали больше нуля. В общем случае элементарный заряд, который переносится в единицу времени, можно записать как:
\[\frac{dq}{dt}=\left(\overrightarrow{j}\overrightarrow{n}\right)dS=j_ndS\ \left(8\right).\]Формула (8) справедлива и в том случае, когда площадка dS неперпендикулярная вектору плотности тока. Так как составляющая вектора $\overrightarrow{j}$, перпендикулярная нормали, через площадку dS электричества не переносит. Таким образом, плотность тока в проводнике окончательно запишем, используя формулу (6) следующим образом:
\[\overrightarrow{j}=-n_0q_e\left\langle \overrightarrow{v}\right\rangle \left(9\right).\]И так, плотность тока равна количеству электричества (заряду), который протекает за одну секунду через единицу сечения проводника. Для однородного цилиндрического проводника можно записать, что:
\[j=\frac{I}{S\triangle t}\left(10\right),\]где S — площадь сечения проводника.
Плотность постоянного тока одинакова по всему сечению проводника. Для двух разных сечений проводника ($S_1{,S}_2$) с постоянным током выполняется равенство:
\[\frac{j_1}{j_2}=\frac{S_2}{S_1}\left(11\right).\]Из закона Ома для плотности токов можно записать:
\[\overrightarrow{j}=\lambda \overrightarrow{E}\left(13\right),\]где $\lambda $ — коэффициент удельной электропроводности.2}$.
Линии тока
Направлениями линий тока являются направления движения положительных зарядов. Нарисовав линии тока, получают наглядное представление о движении электронов и ионов, которые образуют ток. Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность такой трубки. Подобную трубку называют трубкой тока. Например, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет являться трубой тока.
Пример 2
Задание: Найдите среднюю скорость движения электронов в проводнике молярная масса вещества, которого равна $\mu $, поперечное сечение проводника S. Сила тока в проводнике I. Считать, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.
Решение:
Силу тока (I) в проводнике можно считать постоянной и соответственно записать, что:
\[I=\frac{q}{\triangle t}=\frac{Nq_e}{\triangle t}\left(2.1\right),\]где заряд q найдем как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона $q_e$, который является известной величиной. $\triangle t$ — промежуток времени за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q.
Найти N можно, если использовать известное соотношение из молекулярной физики:
\[\frac{N’}{N_A\ }=\frac{m}{\mu }=\frac{\rho V}{\mu }\left(2.2\right),\]где $N’$- количество атомов в проводнике объем, которого V, плотность $\rho $, молярная масса $\mu $. $N_A$ — число Авогадро. По условию задачи $N=2N’$.
Найдем из (2.2) число свободных электронов:
\[N=2\frac{\rho V}{\mu }N_A\ \left(2.3\right).\]Подставим (2.3) в (2.1), получим:
\[I=2\frac{\rho V}{\mu }N_A\frac{q_e}{\triangle t}=\frac{2\rho q_eN_ASl}{\mu \triangle t}\left(2.4\right),\]где объем проводника найден как $V=Sl$, где $l$ — длина проводника. Выразим ее.
\[l=\frac{\mu \triangle tI}{2\rho q_eN_AS}\left(2.5\right).\]Среднюю скорость движения электронов можно найти как:
\[\left\langle v\right\rangle =\frac{l}{\triangle t}=\frac{\mu I}{2\rho q_eN_AS}.\]Ответ: $\left\langle v\right\rangle =\frac{\mu I}{2\rho q_eN_AS}.$
Сила и плотность тока. Линии тока
Сила тока I для тока, протекающего через некоторую площадь сечения проводника S эквивалентна производной заряда q по времени t и количественно характеризует электрический ток.
Определение 1Таким образом выходит, что сила тока — это поток заряженных частиц через некоторую поверхность S.
Определение 2Электрический ток является процессом движения как отрицательных, так и положительных зарядов.
Перенос заряда одного знака в определенную сторону равен переносу заряда, обладающего противоположным знаком, в обратном направлении. В ситуации, когда ток образуется зарядами и положительного, и отрицательного знаков (dq+ и dq−), справедливым будет заключение о том, что сила тока равна следующему выражению:
I=dq+dt+dq-dt.
В качестве положительного определяют направление движения положительных зарядов. Ток может быть постоянным, когда ни сила тока, ни его направление не претерпевают изменений с течением времени, или, наоборот, переменным. При условии постоянства, формула силы тока может выражаться в следующем виде:
I=q∆t,
где сила тока определена в качестве заряда, который пересекает некоторую поверхность S в единицу времени. В системе СИ роль основной единицы измерения силы тока играет Ампер (А).
1A=1 Кл1 с.
Плотность тока. Связь плотности тока с зарядом и силой тока, напряженностью
Выделим в проводнике, в котором протекает ток, малый объем dV случайной формы. С помощью следующего обозначения υ определим среднюю скорость движения носителей зарядов в проводнике. Пускай n0 представляет собой концентрацию носителей заряда. На поверхности проводника выберем пренебрежительно малую площадку dS, которая расположена ортогонально скорости υ (рис. 1).
Рисунок 1
Проиллюстрируем на поверхности площадки dS очень короткий прямой цилиндр, имеющий высоту υdt. Весь массив частиц, которые располагались внутри такого цилиндра за время dt пересекут плоскость dS и перенесут через нее, в направлении скорости υ, заряд, выражающийся в виде следующего выражения:
dq=n0qeυdSdt,
где qe=1,6·10-19 Кл является зарядом электрона, другими словами отдельной частицы или же носителя тока. Разделим приведенную формулу на dSdt и получим:
j=dqdSdt,
где j представляет собой модуль плотности электрического тока.
j=n0qeυ,
где j является модулем плотности электрического тока в проводнике, в котором заряд переносится электронами. В случае, если ток появляется как результат движения нескольких типов зарядов, то формула плотности тока может быть определена в виде следующего выражения:
j=∑niqiυii,
где i представляет собой носитель заряда. Плотность тока — это векторная величина. Снова обратим внимание на рисунок 1. Пускай n→ представляет собой единичный перпендикуляр к плоскости dS. В случае, если частицы, переносящие заряд, являются положительными, то переносимый ими заряд в направлении нормали больше нуля. В общем случае переносимый в единицу времени элементарный заряд может быть записана в следующем виде:
dqdt=j→n→dS=jndS.
Формула приведенная выше справедлива также в том случае, когда плоскость площадки dS неортогональная по отношению к вектору плотности тока. По той причине, что составляющая вектора j→, направленная под прямым углом к нормали, через сечение dS электричества не переносит. Исходя из всего вышесказанного, плотность тока в проводнике окончательно запишем, применяя формулу j=n0qeυ в таком виде:
j→=-n0qeυ→.
Таким образом, плотность тока эквивалентна количеству электричества, другими словами заряду, который протекает за одну секунду через единицу сечения проводника. В отношении однородного цилиндрического проводника справедливым будет записать, что:
j=IS∆t,
где S играет роль площади сечения проводника. Плотность постоянного тока равна по всей площади сечения проводника. Для двух разных сечений проводника (S1,S2) с постоянным током справедливо следующее равенство:
j1j2=S2S1.
Основываясь на законе Ома для плотности токов можно записать такое выражение:
j→=λE→,
где λ обозначает коэффициент удельной электропроводности. Определив плотность тока, мы имеем возможность выразить силу тока в следующем виде:
I=∫SjndS,
где интегрирование происходит по всей поверхности S любого сечения проводника. Единица плотности тока Aм2.
Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!
Описать заданиеЛинии тока
Определение 3Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, носят название линий тока.
Направления движения положительных зарядов также определяются в качестве направлений линий тока. Изобразив линии тока, можно получить наглядное представление о движении электронов и ионов, которые формируют собой ток. Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность данной трубки. Такую трубка представляет собой так называемую трубку тока. К примеру, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет определяться как труба тока.
Пример 1Сила тока в проводнике равномерно возрастает от 0 до 5 А на протяжении 20 с. Определите заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за данный отрезок времени.
Решение
В качестве основы решения данной задачи возьмем формулу, которая характеризует собой силу тока, то есть:
I=dqdt.
Таким образом, заряд будет найден как:
q=∫t1t2Idt.
В условии задачи сказано, что сила тока изменяется равномерно, а это означает то, что мы можем записать закон изменения силы тока в следующем виде:
I=kt.
Найдем коэффициент пропорциональности в приведенном выражении, для чего необходимо запишем закон изменения силы тока еще раз для момента времени, при котором сила тока эквивалентна I2=3А (t2):
I2=kt2→k=I2t2.
Подставим выражение выше в I=kt и проинтегрируем в соответствии с q=∫t1t2Idt, получим формулу такого вида: q=∫t1t2ktdt=∫t1t2I2t2tdt=I2t2∫t1t2tdt=t22t1t2=I22t2t22-t12.
В качестве начального момента времени возьмем момент, когда сила тока эквивалентна нулю, другими словами t1=0, I1=0 A; t2=20, I2=5 А. Проведем следующие вычисления:
q=I22t2t22=I2t22=5·202=50 (Кл).
Ответ: q=50 Кл.
Пример 2Определите среднюю скорость движения электронов в проводнике, молярная масса вещества которого эквивалентна μ, поперечное сечение проводника S. Сила тока в проводнике I. Примем, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.
Решение
Силу тока (I) в проводнике можно считать постоянной, что позволяет нам записать следующее выражение:
I=q∆t=Nqe∆t,
где заряд q определим как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона qe, представляющего собой известную величину. ∆t играет роль промежутка времени, за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q. Найти N можно, если применять известное в молекулярной физике соотношение:
N’NА=mμ=ρVμ,
где N′ играет роль количества атомов в проводнике, объем которого V, плотность ρ, а молярная масса μ. NA представляет собой число Авогадро. По условию задачи N=2N′. Найдем из N’NА=mμ=ρVμ число свободных электронов: N=2ρVμNA.
Подставим выражение, приведенное выше, в I=q∆t=Nqe∆t, в результате чего получим:
I=2ρVμNAqe∆t=2ρqeNASlμ∆t,
где объем проводника найден как V=Sl, где l — длина проводника. Выразим ее.
l=μ∆tI2ρqeNAS.
Среднюю скорость движения электронов или, другими словами, скорость тока в проводнике можно определить следующим образом: υ=l∆t=μI2ρqeNAS.
Ответ: υ=μI2ρqeNAS.
Плотность тока — определение, формула, пример, единица и часто задаваемые вопросы
Вы когда-нибудь задумывались, что такое плотность тока и как ее определить? Прежде чем вы сможете понять формулу плотности тока, вы должны хорошо знать сам ток.
Определение тока
Ток — это поток электронов от источника с большим количеством электричества к месту назначения с дефицитом электричества. Мы используем символ I для обозначения тока, тогда как стандартная единица измерения — ампер.
Ток всегда следует в определенном направлении потока. Таким образом, вы обнаружите, что ток течет из положительной точки в отрицательную.
Что такое переменный и постоянный ток?
Прежде чем приступить к изучению плотности тока, вы также должны уметь указать на различия между двумя типами тока — постоянным (DC) и переменным (AC).
DC | AC |
Постоянный ток движется в одном направлении, независимо от точки, в которой вы проверяете поток. | Чередующиеся носители заряда часто текут в направлении, противоположном установленному потоку. |
Здесь поток имеет постоянную величину. | Здесь величина потока меняется со временем. |
Частота постоянного тока всегда будет равна нулю. | Частота переменного тока может изменяться, но всегда выше нуля. |
Определение плотности тока
Плотность тока называется общей величиной тока, протекающего через одно единичное значение площади поперечного сечения.Если это равномерный ток, то величина тока, протекающего через определенный проводник, одинакова во всех точках проводника, даже если площадь проводника отличается.
Формула плотности тока может помочь определить величину тока в определенной части проводника.
Какова формула плотности тока?
Плотность тока (Дж) = I / A
В этом уравнении «I» — это величина тока в амперах, а «A» — это площадь поперечного сечения в кв.метров.
Пример плотности тока
Теперь, когда вы знаете формулу для расчета, взгляните на приведенный ниже пример, чтобы получить более четкое представление.
Пример — 10 мм2 медного провода проводят ток силой 2 мА. Определите эту плотность тока, используя формулу плотности тока.
Решение — В этом примере ток (I) = 2 x 10-3
A = 10 x 10-3
Таким образом, плотность тока (Дж) = 2 x 10-3 / 10 x 10-3
J = 0,20 А / м2
Что такое единица измерения плотности тока?
Единица измерения плотности тока в системе СИ — Ампер / метр2.Этот блок также поможет вам запомнить формулу для расчета такой плотности. Поскольку ампер — это единица измерения тока, а метр2 — это единица измерения площади поперечного сечения, можно легко вывести эту формулу для плотности тока. Это ток, деленный на площадь поперечного сечения.
Быстрое упражнение — 1
Что это за плотность, когда ток 137 Ампер проходит через проводник размером 1,2 м2?
Решение —
Здесь I = 137A
A = 1.2m2
Следовательно, J = I / A
=> J = 137 / 1,2
=> J = 114,66 A / m2
Какая связь между плотностью тока и электрическим полем?
С помощью закона Ома можно определить связь между электрическим полем и плотностью тока.
Мы знаем I = nAevd
I = nAe (eE / m)
Мы знаем J = I / A
Итак, I / A = ne2 (E / m)
Вот почему плотность заряда так важна по физике. Это относится к электрическому полю в электромагнетизме.
Верно или неверно
Q. Единица измерения частоты переменного тока — Джоуль.
Отв. Ложь. Единицей измерения частот переменного тока является герц, а не джоуль.
Чтобы лучше понять такие понятия, как плотность, закон Ома и другие, присоединяйтесь к нашим онлайн-курсам. Каждое занятие, проводимое экспертами, рассеивает сомнения студентов. Теперь вы даже можете загрузить наше приложение «Веданту» для удобного доступа к этим онлайн-курсам и учебным материалам по каждой теме.
Плотность тока — веб-формулы
Прежде чем обсуждать плотность тока, необходимо узнать об электрическом токе. Электрический ток определяется как количество электрических зарядов, проходящих через единицу площади поперечного сечения проводника за единицу времени. Это означает, что электрический ток вырабатывается за счет протекания электрических зарядов. Ветвь электричества, изучающая процесс, связанный с протеканием тока, называется текущим электричеством.Электрические заряды сохраняются, что означает, что они не создаются и не разрушаются в любой точке проводника.Предположим, что электрический заряд Δ
Q протекает через любую площадь поперечного сечения проводника в интервале времени Δ t , тогда средний электрический ток I протекает как:I = Δ Q / Δ t
Единица электрического тока = ампер ( A )
Скорость потока электрического заряда, проходящего через проводник с разным поперечным сечением, не может быть одинаковым все время, и поток электрического заряда не может быть перпендикулярным площади поперечного сечения проводника.Рассмотрим точку P криволинейного поперечного сечения проводника, а Δ
a — площадь поверхности вблизи точки P. Тогда плотность тока ( J ) задается как:J = Δ I / Δ a · cos ø
Плотность тока определяется около любой точки и определяется как количество электрического тока, протекающего перпендикулярно площади поперечного сечения устройства. рядом с этой точкой.
Плотность тока также может быть выражена как:
J = N · q · u
Поскольку ток определяется по формуле:
Δ I = Δ Q / Δ t = N · q · u · s = N · q · u · Δ s
Где:
N за единицу заряда.
q — это заряд, который несет каждый.
u — скорость, которую имеют заряды при движении по поверхности Δ s , которая имеет единичную нормаль a n .
Δ t — изменение во времени.
Так как N · q = ρ , плотность тока также можно выразить как:
J = ρ · u
Соответствуют следующие свойства:
(А)
Электрический ток
Плотность тока
Текущее электричество
Электрический заряд
(В)
Отрасль электричества, изучающая электрический ток
не созданы и не уничтожены
Электрический заряд, протекающий в единицу времени
Движение электрических зарядов
Электрический ток → Движение электрических зарядов
Плотность тока → Электрический заряд, протекающий за единицу времени
Текущее электричество → Отрасль электричества, изучающая электрический ток
Электрический заряд → ни создается, ни разрушается
Уравнения Максвелла: плотность электрического тока
Плотность электрического тока
Плотность электрического тока обозначается векторным символом ( J ).2], потому что ток течет в одном направлении, и площадь измеряется перпендикулярно / перпендикулярно / перпендикулярно этому. Это показано на рисунке 1:
Рисунок 1. Электрический ток I (вверху) — это общий расход заряда в секунду. Плотность тока J (внизу) ток в указанном поперечном сечении.
Полный электрический ток ( I ) может быть связан с плотностью тока ( J ) суммируя (или интегрируя) плотность тока по области, где течет заряд:
| [Уравнение 1] |
|---|
| [Уравнение 2] |
|---|
Обратите внимание, что плотность тока часто непостоянна, поэтому взвешенное суммирование (уравнение [1]) нужно.
Наконец, предположим, что среда (материал) имеет электрическую проводимость, заданную на (который измеряется в Сименс / метр, которое является противоположным (обратным) сопротивлением на длину). Тогда плотность электрического тока можно связать с Электрическое поле по уравнению [3]:
| [Уравнение 3] |
|---|
Вы можете не узнать уравнение [3], но на самом деле оно известно — это закон Ома.Вы, вероятно, знаете из электрических цепей, что V = IR, который связывает напряжение, ток и сопротивление. В уравнении [3] E-поле аналогично напряжению, плотность тока аналогична току, а проводимость — это величина, обратная сопротивлению. Вот где закон Ома для цепей происходит от.
Уравнение [3] утверждает, что в материале с ненулевой проводимостью E-поле будет производить электрический ток.
Уравнения Максвелла
Эта страница о плотности электрического тока (J) защищена авторским правом.Авторские права принадлежат Maxwells-Equations.com, 2012.
Конвертер линейной плотности тока • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц
Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер сухого объема и общих измерений при варке Конвертер рабочих характеристикПреобразователь мощностиПреобразователь силыКонвертер времениЛинейный преобразователь скорости и скоростиКонвертер углового КПД, расхода топлива и экономии топливаКонвертер чиселПреобразователь единиц информации и хранения данныхКурс обмена валютЖенская одежда и размеры обувиКонвертер мужской одежды и размеров обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер удельного ускорения углового ускорения Преобразователь момента силы Преобразователь крутящего момента Преобразователь удельной энергии, теплоты сгорания (на массу) Конвертер удельной энергии, теплоты сгорания Конвертер температурного интервалаПреобразователь коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер теплопроводностиКонвертер удельной теплоемкостиПлотность тепла, плотность пожарной нагрузкиКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициентов теплопередачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаМолярный расход раствора в конвертере массового потока Конвертер массового потока ) Конвертер вязкостиКинематический преобразователь вязкостиПреобразователь поверхностного натяженияПроницаемость, проницаемость, проницаемость водяного параКонвертер скорости передачи водяных паровКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофонаКонвертер уровня звукового давления (SPL )Конвертер уровня звукового давления с выбираемым эталонным давлениемКонвертер яркостиПреобразователь световой интенсивности и световой потокПреобразователь разрешения цифрового изображения Конвертер фокусного расстояния: оптическая сила (диоп. ter) в увеличение (X) преобразовательПреобразователь электрического зарядаЛинейный преобразователь плотности зарядаПреобразователь поверхностной плотности зарядаПреобразователь объёмной плотности зарядаПреобразователь электрического токаЛинейный преобразователь плотности токаПреобразователь плотности поверхностного токаПреобразователь напряженности электрического поляПреобразователь электрического потенциала и напряженияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь удельного электрического сопротивленияПреобразователь электрической проводимости уровней в дБм, дБВ, ваттах и других единицах измеренияПреобразователь магнитодвижущей силыПреобразователь напряженности магнитного поляПреобразователь магнитного потокаПреобразователь плотности магнитного потокаМощность поглощенной дозы излучения, Конвертер мощности суммарной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность.Преобразователь радиоактивного распада Преобразователь радиационного воздействияРадиация. Конвертер поглощенной дозы Конвертер метрических префиксовКонвертер передачи данныхТипографские и цифровые единицы изображения КонвертерПреобразователь единиц измерения объема древесиныКалькулятор молярной массыПериодическая таблица
Введение
Если заряды помещаются в электростатическое поле с разностью потенциалов, заряды начинают двигаться. Это движение представляет собой электрический ток, который определяется как скорость потока заряда через любую площадь поперечного сечения проводящей среды.Величина этого тока зависит от сопротивления движению зарядов, которое, в свою очередь, зависит от площади поперечного сечения проводника.
В электротехнике, когда необходимо измерить важные физические переменные, и ампер, который является единицей электрического тока, и кулон, который является единицей электрического заряда, связаны со счетчиком, который является единицей измерения длина. Заряд, протекающий по площади, может быть неоднородным. Он может варьироваться по количеству и направлению в зависимости от положения на территории.Поэтому было бы вполне естественно определить поток заряда в терминах тока на единицу площади или длины, который называется плотностью тока. В этой статье мы рассмотрим разницу между электрическим током и плотностью тока, а также важность достижения, поддержания и измерения надлежащей плотности тока в различных приложениях электротехники и электронной техники.
Определения
Электрический ток
Электрический ток I определяется как движение электрического заряда (электронов или ионов, или того и другого) вдоль линии (например, тонкой проволоки) по поверхности (например, лист проводящего материала) или в объеме (например, в вакуумной трубке или газоразрядной лампе).Единицей измерения электрического тока в системе СИ является ампер, который определяется как поток электрического заряда через поверхность со скоростью один кулон в секунду.
Объемная плотность тока
Когда поток заряда происходит в трехмерной области, он описывается объемной плотностью тока , определяемой как ток на единицу площади, перпендикулярной потоку. Ее также называют объемной плотностью тока или просто плотностью тока. Плотность тока представляет собой векторное поле в трехмерном проводящем пространстве.Для каждой точки этого пространства плотность тока представляет собой общий равномерный поток заряда в единицу времени (то есть ток), проходящий через единицу площади поперечного сечения. Обозначается векторным символом J . Если мы рассмотрим обычный случай проводника, по которому течет ток, амперная мера этого тока делится на площадь поперечного сечения проводника. В SI плотность объемного тока измеряется в амперах на квадратный метр (А / м²).
Например, если шина в электрической подстанции сечением 3 х 33.3 мм = 100 мм² = 0,0001 м² проходит постоянный ток 50 ампер, плотность тока через этот провод составляет 500 000 A / м².
Линейная плотность тока
Иногда электрический ток протекает через очень тонкие металлические пленки или слои переменной толщины. В таких случаях исследователей интересует ширина, а не полное поперечное сечение таких тонких проводников, и они измеряют линейную плотность тока , которая является векторным значением, равным пределу произведения плотности ток, протекающий через тонкий поверхностный слой проводника, и толщина этого слоя при приближении последнего к нулю.Линейная плотность тока измеряется в СИ в амперах на метр (А / м) и в СГС в эрстедах. В вакууме, если напряженность намагничивающего поля составляет 1 Э, то плотность магнитного потока составляет 1 Гс. Знаменателем этой дроби является ширина, перпендикулярная направлению тока в проводящей тонкой пленке или листе.
Например, если ток в 100 микроампер протекает по тонкому проводнику шириной 1 мм, то линейная плотность тока составляет 0,0001 A: 0,001 м = 10 ампер на метр.Линейная плотность тока обозначена векторным символом A .
Плотность поверхностного тока
Когда заряд течет по поверхности, это обычно описывается плотностью поверхностного тока , K , которая определяется как ток на единицу ширины, перпендикулярный потоку. В различных точках поверхности K будет изменяться, отражая изменения плотности поверхностного тока и скорости движущегося заряда. Другими словами, плотность поверхностного тока — это предел очень большой плотности тока, распределенной по очень тонкому слою, прилегающему к поверхности.
Скаляр в сравнении с вектором
Обратите внимание, что, в отличие от плотности тока, ток является скаляром, потому что он определяется как скорость , с которой течет заряд, и поэтому нет особого смысла добавлять направление к значению, которое выражает ставку. С другой стороны, плотность тока включает в себя объем со многими небольшими поперечными сечениями, через которые проходит заряд, поэтому имеет смысл определить плотность тока как вектор. Это также вектор, потому что мы можем определить плотность тока как произведение плотности заряда и скорости для любого места в пространстве.
Плотность тока в различных приложениях
Плотность тока — важная характеристика, которую необходимо учитывать при проектировании электрических и электронных систем. Высокая плотность тока в проводниках имеет нежелательные последствия. Все электрические провода имеют конечное сопротивление, что приводит к нагреву и рассеиванию энергии в виде тепла. По этой причине плотность тока должна быть достаточно низкой. Это предотвращает изменение свойств проводника. Например, при нагревании сопротивление нагретой части проводника увеличивается, что приводит к большему нагреву и, как следствие, к разрушению изоляционного материала.Электрические свойства проводника могут измениться из-за нагрева. Например, может быть образован оксид, уменьшающий площадь поперечного сечения проводника, что, в свою очередь, приведет к увеличению плотности тока.
Микропроцессор Pentium P54CS содержит 3,3 миллиона транзисторов в кристалле площадью 90 квадратных миллиметров или около 40 тысяч транзисторов на каждый квадратный миллиметр
Линейная, поверхностная и объемная плотность тока широко используется при расчетах и проектировании электрических и электронных систем. особенно интегральные схемы, где плотность компонентов (количество компонентов в единице объема) постоянно увеличивается.Несмотря на то, что каждый компонент потребляет очень низкий ток, плотность тока в кристалле может стать довольно высокой для достижения максимально возможного количества компонентов в одном кристалле. На заре развития микроэлектроники количество компонентов в интегральных схемах ежегодно удваивалось. Сейчас (в 2016 году) он увеличивается вдвое примерно каждые два года. Этот паттерн называется законом Мура в честь одного из основателей Intel и Fairchild Semiconductor, который в 1965 году пришел к выводу, что рост производительности вычислительных устройств будет экспоненциальным.Позже, в 1975 году, он пересмотрел свой прогноз и предсказал, что производительность микропроцессора будет удваиваться каждые два года.
Например, на кристалле 4-битного микропроцессора Intel 4004, выпущенного в 1971 году, было всего 2300 транзисторов с площадью 3х4 мм или всего 12 квадратных миллиметров, что составляет всего около 200 транзисторов на квадратный миллиметр. Для сравнения: в 12-ядерном микропроцессоре Power8, разработанном IBM и выпущенном в 2013 году или 42 года спустя, на кристалле размером 650 квадратных миллиметров размещено 4,2 миллиарда транзисторов.То есть на каждом квадратном миллиметре расположено 6,5 миллиона транзисторов. Обратите внимание, что каждый транзистор потребляет определенный, хотя и очень небольшой, ток. Поскольку они расположены в очень маленьком объеме, очевидно, что для таких микросхем требуется хорошее охлаждение.
Рамочные ферритовые антенны для радиовещания AM обычно наматывают литцевым проводом, обернутым натуральным шелком или другим волокном для уменьшения потерь на скин-эффект
Переменный ток, особенно на высоких частотах, имеет тенденцию к неравномерному распределению в проводнике, так что проводящая зона находится только в своем поверхностном слое, тем самым увеличивая плотность тока в проводах, что, в свою очередь, приводит к потерям энергии при нагревании или даже плавлении проволоки.Это явление уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере того, как они проникают глубже в проводник, называется скин-эффектом или поверхностным эффектом . Чтобы уменьшить потери на высоких частотах, проводники покрывают серебром или золотом — материалами с очень низким удельным сопротивлением. Для уменьшения потерь часто вместо одного толстого проводника используют несколько (от трех до тысячи и более) тонких изолированных проводов. Этот вид кабеля называется Litz wire (от нем. Litzendraht или плетеный провод).В частности, литц-проволока используется для изготовления индукторов в индукционных плитах.
При высокой плотности тока может происходить фактическое перемещение материалов в соединениях. Это называется электромиграцией . Это движение вызвано дрейфом ионов к материалу или от него в результате обмена импульсом во время столкновений между носителями проводимости и кристаллической решеткой проводника. Эффект электромиграции играет значительную роль в случаях, когда токи имеют более высокую плотность, например, в микроэлектронике, как обсуждалось выше.Чем больше плотность достигается в крупномасштабной или очень крупномасштабной интегральной схеме, тем заметнее эффект. В результате электромиграция может привести к полному разрушению проводника, либо новый проводник может появиться там, где его не должно быть, тем самым замкнув эту часть цепи. Обе ситуации, конечно, могут привести к неисправности интегральной схемы. Таким образом, повышенная плотность схемы приводит к снижению надежности интегральных схем. Однако в современных электронных устройствах интегральные схемы редко выходят из строя из-за эффектов электромиграции.Это связано с тем, что при правильном проектировании учитываются эффекты электромиграции.
Термин «плотность тока» или, в частности, поверхностная плотность тока в мА / см² или ток, производимый на единицу площади элемента, часто используется для описания характеристик солнечных элементов. Плотность тока короткого замыкания фотоэлектрического элемента является важным параметром, характеризующим эффективность преобразования энергии элемента. Такой подход полезен тем, что позволяет сравнивать элементы различных производителей.В то время как напряжение от фотоэлектрического модуля определяется количеством отдельных солнечных элементов, ток от модуля в основном зависит от площади поверхности элемента, подверженной солнечному свету, и эффективности солнечных элементов. Монокристаллические солнечные элементы часто имеют размер 100 × 100 мм = 100 см² и вырабатывают ток 3,5 А или плотность тока 3,5: 100 = 35 мА / см² от одного модуля. Обратите внимание, что определение плотности поверхностного тока в солнечных элементах не то же самое, что определение плотности поверхностного тока выше.
Хромированная лейка для душа; поверхность пластмассовой детали покрыта медью, затем никелем, а последний слой — хромом.
Плотность тока — одна из основных характеристик, которые определяют качество конечного продукта при хромировании и других методах гальваники. Во время хромирования на металлический или пластиковый предмет наносится тонкий слой хрома. Хромированный слой может быть декоративным, эстетичным, прочным и устойчивым к коррозии. Хромирование также используется для увеличения твердости поверхности.Твердый хром, также известный как промышленный или технический хром, используется для уменьшения трения и повышения долговечности за счет повышения износостойкости, устойчивости к истиранию и стойкости к окислению. Гальваника с твердым хромом также иногда используется для восстановления первоначальных размеров изношенных деталей.
Для использования в автомобильной промышленности сталь подвергается нескольким процессам гальваники, чтобы выдерживать изменения температуры и погодных условий, которым подвержен автомобиль на открытом воздухе и во время эксплуатации. Обычно используется процесс тройного покрытия, который включает в себя сначала покрытие медью, затем никель и хром, который наносится последним слоем.Температура и плотность тока в ванне хрома влияют на яркость и равномерность осаждения хрома.
Измерение плотности тока
Распространенным примером измерения плотности тока является гальваника, когда плотность тока измеряется в жидкой проводящей среде (электролите электролитической ванны). Это включает в себя расчет или измерение площади поверхности детали, покрытой металлом, и измерение тока, протекающего через гальваническую ванну. В продаже имеется несколько измерителей плотности тока.Они позволяют специалистам по нанесению гальванических покрытий точно знать скорость осаждения материала на заготовке. Измеритель плотности тока электролита обычно состоит из небольшого тороидального зонда с катушкой и цифрового дисплея, который измеряет ток, протекающий через катушку, индуцированный током в электролите, протекающем внутри нее. Процессор таких измерителей рассчитывает и указывает плотность поверхностного тока в точке измерения в А / фут² или А / дм² путем измерения тока, протекающего через катушку, и с учетом площади катушки.
Другой пример измерения плотности поверхностного тока — производство солнечных батарей. Плотность тока короткого замыкания в фотоэлементе часто неоднородна. Различие в плотностях поверхностного тока может быть связано с разным временем жизни носителей заряда в разных областях ячейки, разным расстоянием до металлических контактов и другими факторами. Чтобы измерить плотность поверхностного тока через ячейку, их можно облучить сфокусированным очень узким электронным или световым лучом. Световое пятно очень маленького диаметра сканирует поверхность ячейки и точно измеряет выделенный фототок.Таким образом создается карта локальной плотности поверхностного тока короткого замыкания, которую можно использовать для оптимизации фотоэлектрического устройства.
Эту статью написал Анатолий Золотков
У вас возникли трудности с переводом единицы измерения на другой язык? Помощь доступна! Задайте свой вопрос в TCTerms , и вы получите ответ от опытных технических переводчиков в считанные минуты.
Физика для науки и техники II
6.2 Плотность тока от Управления академических технологий на Vimeo.
6.02 Плотность тока
Хорошо, мы ввели электрический ток как количество заряда, проходящего через поверхность в единицу времени. Поскольку и заряд, и время являются скалярными величинами, мы пришли к выводу, что ток — это скалярная величина. Другими словами, у него нет никаких свойств направления. С другой стороны, мы сказали, что ток имеет направление потока, и мы определяем обычное направление потока тока как от положительного вывода к отрицательному.
Теперь, когда мы имеем дело с конкретным проводником, мы говорим о величине тока, проходящей через площадь поперечного сечения этого проводника, как i . С другой стороны, иногда мы можем захотеть взглянуть и сосредоточить наше внимание на потоке носителей заряда в определенной точке внутри проводника. Для этого мы введем понятие плотности тока.
Мы будем обозначать плотность тока заглавной J , и она просто определяется как сила тока на единицу площади.Или просто J равно i по сравнению с A . Следовательно, мы смотрим на определенную поверхность, и предположим, что величина тока и течет слева направо через эту поверхность. Площадь поверхности всегда перпендикулярна поверхности, и этот ток, разделенный на эту площадь, просто дает нам то, что мы называем плотностью тока. Если рассматривать единицы измерения в системе СИ, поскольку в системе СИ единица измерения тока выражается в амперах, а площадь — в квадратных метрах, то единицей плотности тока является ампер на квадратный метр.
Отсюда мы знаем, что площадь — это векторная величина, которая перпендикулярна интересующей поверхности и имеет величину площади поверхности области. И хотя ток является скалярной величиной, всякий раз, когда мы делим или умножаем любую векторную величину на скаляр, мы получаем новый вектор, следовательно, плотность тока является векторной величиной. Другими словами, у него есть конкретное направление.
Ну, конечно, из этого выражения мы можем легко увидеть, что он находится в том же направлении, что и вектор площади.Теперь, если мы решим i из этого уравнения, это будет равно J , умноженное на A , но поскольку это векторные величины, фактически оно равно J dot A , потому что ориентация Область интереса важна, поскольку мы пытаемся определить количество тока, проходящего через эту поверхность. Другими словами, если я выберу поверхность так, чтобы она была выровнена горизонтально или параллельно направлению тока, то величина тока, протекающего через эту область, будет равна 0.Поэтому, чтобы принять это во внимание, мы говорим, что I равно J dot A .
Теперь, если плотность тока непостоянна, в этом случае мы берем элемент с приращением площади с площадью поверхности d A вдоль интересующей поверхности и вычисляем количество тока, проходящего через эту поверхность, а затем, просто продолжайте и проделайте аналогичный процесс для следующей области и так далее, и так далее. В конце концов, затем сложите все эти токи друг с другом, чтобы получить общий ток, проходящий через интересующую область.Таким образом, в этом случае i становится равным интегралу от J dot d A . И, очевидно, ориентация поверхности относительно текущего потока будет определяться с помощью этого скалярного произведения. Другими словами, это равно проекции вектора площади на вектор плотности тока.
Теперь давайте посмотрим, в каком направлении указывает эта плотность тока. Поскольку у нас есть два разных типа зарядов, положительный и отрицательный, давайте рассмотрим две разные проводящие среды.Один из них, носители заряда — это положительно заряженные частицы, + q , и мы применяем разность потенциалов между двумя концами этой среды, подключая эти концы к положительным и отрицательным клеммам источника питания, который генерирует, скажем, , В вольт разности потенциалов. Итак, всякий раз, когда мы это делаем, мы генерируем разность потенциалов между правой и левой сторонами этой проводящей среды. Как только мы включим переключатель, другими словами, как только мы подключим эти концы к клеммам этого источника питания, скажем, батареи, мы создадим электрическое поле, направленное справа налево, в соответствии с этой конфигурацией.
Итак, электрическое поле будет направлено влево от положительного полюса к отрицательному. Итак, как только мы создадим электрическое поле, это электрическое поле будет оказывать кулоновскую силу на каждый из этих зарядов. И эта сила равна q умноженным на E , согласно закону Кулона. И поскольку заряды заряжены положительно, то направление этой силы будет указывать в том же направлении, что и электрическое поле.
Под действием этой силы заряды будут ускоряться в том же направлении, что и электрическое поле.Но, перемещаясь по этой проводящей среде, они не будут становиться все быстрее и быстрее, потому что, двигаясь, они будут сталкиваться с другими зарядами, а также с атомами среды. При каждом столкновении они на мгновение останавливаются, а затем снова начинают движение. Мы собираемся обозначить среднюю скорость, которую они получат между столкновениями, как v d . И мы будем называть эту скорость скоростью дрейфа.
Таким образом, в этой конфигурации скорость дрейфа будет указывать в том же направлении, что и электрическое поле, то есть влево.Векторы плотности тока этих зарядов, когда они перемещаются из областей с высоким потенциалом в область с низким потенциалом, находятся в том же направлении, что и электрическое поле, поэтому вектор J , вектор плотности тока, будет указывать влево.
Теперь рассмотрим другую проводящую среду, и в этом случае носителями заряда являются отрицательные заряды. Это может быть, например, случай с металлами. Мы знаем, что в металлических средах носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны.Опять же, мы применяем разность потенциалов между концами этой среды, подключая один конец к положительной клемме, а другой конец к отрицательной клемме батареи, тем самым создавая разность потенциалов В В между двумя концами. И, как только также включается переключатель, мы снова устанавливаем электрическое поле, которое направлено от положительного полюса к отрицательному.
Под влиянием этого электрического поля, снова, каждый из этих зарядов, — q , отрицательных зарядов, будет находиться под влиянием кулоновской силы, генерируемой этим внешним электрическим полем, и если мы снова нарисуем эти векторы , электрическое поле направлено влево, и кулоновская сила на каждом заряде будет — q E .И, следовательно, сила будет направлена в направлении, противоположном направлению внешнего электрического поля. Следовательно, заряды будут двигаться в направлении, противоположном электрическому полю, они будут ускоряться в этом направлении.
Но, как и в случае положительных зарядов, они не будут становиться все быстрее, быстрее и быстрее непрерывно. Они будут делать столкновения, и при каждом столкновении они будут перезапускаться снова. Таким образом, они приобретут среднюю скорость между столкновениями, и мы снова будем называть эту скорость скоростью дрейфа.В этом случае это будет направление, противоположное направлению электрического поля.
Но и в этом случае вектор плотности тока будет указывать влево. Другими словами, независимо от того, с каким типом носителей заряда мы имеем дело, независимо от знака заряда носителей, вектор плотности тока всегда указывает в направлении электрического поля.
Итак, если мы обратим внимание на эти факты, мы скажем, что сначала положительные заряды дрейфуют в направлении приложенного электрического поля, а отрицательные заряды дрейфуют в направлении, противоположном приложенному электрическому полю.При этом направление плотности тока, вектор J , а также, скажем, смысл тока, i , всегда были в одном направлении. Другими словами, они были такими, что все носители заряда были положительными.
Здесь обычное направление тока будет указывать влево, то есть смысл протекания тока, другими словами, от положительного к отрицательному. И, опять же, несмотря на то, что фактическое направление потока зарядов здесь, для отрицательных носителей заряда, от отрицательного к положительному, мы все же выберем направление потока тока, как и в том же случае для положительных носителей заряда.Другими словами, опять же, от положительного к отрицательному.
Итак, мы делаем здесь примечание, говоря, что направление плотности тока J и ощущение протекания тока условно, как если бы носители были положительными. Другими словами, Дж, , плотность тока Дж, совпадает с направлением приложенного электрического поля.
Хорошо, тогда мы можем сказать, что общая взаимосвязь между плотностью тока и током такова, что для конкретной поверхности, которая не обязательно должна быть плоскостью, пересекающей проводник, ток является потоком вектора плотности тока J над этой поверхностью.Другими словами, i равно интегралу от J dot d A . Здесь, опять же, d A — это элементарная площадь поверхности, и интеграл берется по рассматриваемой поверхности.
Мы можем посмотреть, что представляют собой векторы плотности тока через механическую систему, если мы рассмотрим суженную трубу, например, что-то вроде этого. И, если жидкость течет по этой трубе из этой области высокого давления в сторону области низкого давления, векторы скорости или линии тока на самом деле являются векторами скорости этой жидкости, которая течет через эту суженную трубу.Следовательно, линии тока здесь, линии тока являются векторами скорости жидкости, создавая ламинарный поток через суженную трубу.
Итак, плотность этих линий, другими словами, количество линий, проходящих через единицу площади, просто указывает на то, что скорость скрывает эти области по сравнению с теми, что количество силовых линий, проходящих через эту поверхность, или количество линий тока, проходящих, надо сказать, через поверхность меньше. Итак, если вы возьмете подобную ситуацию и теперь рассмотрите суженный проводник, так что ток течет через этот проводник, в этом случае линии тока на самом деле являются векторами плотности тока, линиями тока, это векторы плотности тока, представляющие поток заряда через суженный проводник.
Плотность тока нейтронов— Атомная энергия
Типичный тепловой реактор содержит около 100 тонн урана со средним обогащением 2% (не путайте это с обогащением свежего топлива ). Если мощность реактора составляет 3000 МВт th , определите скорость реакции и средний тепловой поток активной зоны .
Решение:
Умножение скорости реакции на единицу объема (RR = Ф.Σ) на общий объем активной зоны (V) дает нам общего числа реакций, происходящих в активной зоне реактора в единицу времени. Но мы также знаем, что количество энергии, выделяемой за одну реакцию деления, составляет около 200 МэВ / деление . Теперь можно определить скорость выделения энергии (мощность) из-за реакции деления. Это определяется следующим уравнением:
P = Ф. Σ ф . Е р . V = Ф. Н У235 . σ f 235 .Е р . V
где:
P — мощность реактора (МэВ.с -1 )
Ф — поток нейтронов (нейтрон.см -2 .s -1 )
σ — микроскопический крест сечение (см 2 )
N — плотность атомного числа (атом. см -3 )
Er — средняя извлекаемая энергия на одно деление (МэВ / деление)
V — общий объем ядра (m 3 )
Количество делящихся 235 U на объем активной зоны реактора.
м 235 [г / сердечник] = 100 [метрические тонны] x 0,02 [г 235 U / г U]. 10 6 [г / метрическая тонна] = 2 x 10 6 граммов 235 U на объем активной зоны реактора
Атомная плотность 235 U в объеме активной зоны реактора:
N 235 . V = м 235 . N A / M 235
= 2 x 10 6 [г 235 / ядро] x 6,022 x 10 23 [атомов / моль] / 235 [г / моль]
= 5.13 x 10 27 атомов / ядро
Микроскопическое сечение деления 235 U (для тепловых нейтронов):
σ f 235 = 585 барн
Средняя извлекаемая энергия на 235 U деление:
E r = 200,7 МэВ / деление
Плотность ионного тока — обзор
Пространственное распределение электрического поля и плотности ионного тока в линиях передачи постоянного тока
При нормальной работе линий электропередачи постоянного тока коронные разряды в определенной степени допустимы.Распределение ионов в результате коронного разряда в линии постоянного тока сильно отличается от распределения в линии переменного тока. Поскольку направление переменного напряжения периодически меняется на противоположное, когда на линии переменного тока возникают коронные разряды, почти все ионы, генерируемые коронным разрядом в пределах положительного полупериода напряжения, притягиваются к проводнику в отрицательном полупериоде, где полярность напряжения меняется на противоположную. Таким образом, заряженные ионы просто перемещаются вперед и назад в небольшом диапазоне вокруг проводника, и, следовательно, заряженные ионы не присутствуют ни между фазовыми проводниками, ни между фазовым проводом и землей.Напротив, полярность постоянного напряжения не меняется, поэтому, когда на линии постоянного тока возникают короны, заряженных ионов, генерируемых коронами на полюсном проводнике, ионы с полярностью, противоположной полюсному проводнику, будут притягиваться к проводнику, в то время как те, у кого такая же полярность, будут отталкиваться от проводника и продолжать движение по линиям электрического поля. Таким образом, заряженные ионы будут занимать все пространство между двумя полюсными проводниками и между полюсным проводником и землей. Инжир.17.1 показаны линии электрической силы биполярной линии передачи и распределение заряженных ионов. Все пространство, показанное на рис. 17.1, можно грубо разделить на три области: ne между проводником положительного полюса и землей, заполненной положительными ионами; другой — между проводником отрицательного полюса и землей, заполненной отрицательными ионами; и один между проводниками положительного и отрицательного полюсов, где сосуществуют положительные и отрицательные ионы.
Рисунок 17.1. Силовые линии биполярной линии передачи и распределение заряженных ионов.
Ток, возникающий при движении заряженных ионов в пространстве, называется ионным током. Ионный ток через единицу площади называется плотностью ионного тока.
Поскольку пространство заполнено заряженными ионами, электрические поля линий постоянного тока возникают от двух видов зарядов. Электрические поля, создаваемые зарядами на проводниках, называются номинальными или статическими электрическими полями, а поля, создаваемые заряженными ионами в космосе, называются ионными электрическими полями. Наложение номинального электрического поля и ионного электрического поля образует результирующее электрическое поле.
Номинальное электрическое поле зависит от конфигурации линии и рабочих напряжений. Для данной конфигурации линии сила номинального электрического поля зависит от напряжения в сети. Однако сила ионного электрического поля и результирующего электрического поля также зависит от коронного разряда.
В свете случайности коронных разрядов результирующее электрическое поле линий постоянного тока изменяется случайным образом, и его сила обычно определяется на основе статистики.
Амплитуда результирующего электрического поля и плотность ионного тока связаны с напряженностью электрического поля на поверхности проводника и напряженностью поля начала короны, первая из которых связана с конфигурацией проводника (включая количество и диаметр субпроводников, расстояние между полюсными проводниками , и высота проводника над землей), а последнее зависит от таких факторов, как состояние поверхности проводника и погодные условия. Для данной конфигурации линии передачи постоянного тока более высокая напряженность электрического поля на поверхности проводника и меньшая напряженность поля начала короны будут способствовать большей результирующей напряженности электрического поля и плотности ионного тока.Следовательно, уменьшение напряженности поля на поверхности проводника и увеличение напряженности поля начала короны может снизить результирующую напряженность электрического поля и плотность ионного тока.
Частота и амплитуда тока коронного разряда в линиях постоянного тока зависят от полярности полюсов. Влажность воздуха по-разному влияет на коронный разряд проводников положительного и отрицательного полюсов. Кроме того, разные предпочтения насекомых садиться на проводники положительного или отрицательного полюса приводят к различным состояниям поверхности проводника, тем самым вызывая различное воздействие на коронный разряд.Все это способствует значительной разнице между результирующими электрическими полями под проводниками положительного и отрицательного полюсов линии постоянного тока.
Человеческое восприятие под линиями электропередачи постоянного тока
Люди, находящиеся под линиями электропередачи постоянного тока, подвергаются воздействию ионного тока и электрического поля. Возможные эффекты включают восприятие встречи с ионным током, восприятие пребывания в электрическом поле HVDC и восприятие контакта с заземленными объектами и изолированными объектами.При проектировании и строительстве линий передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения эти эффекты должны быть ограничены до приемлемого диапазона.
Ионные токи будут перехватываться людьми, находящимися под линиями электропередачи постоянного тока, а затем течь в землю через тело человека. Исследования показали, что для того, чтобы иметь такое же ощущение, постоянный ток, протекающий через человеческое тело, должен быть более чем в пять раз больше переменного тока. Однако ток, перехватываемый людьми под линиями электропередачи постоянного тока, на два порядка меньше критического воспринимаемого тока.Поэтому ионный ток, перехватываемый людьми под линиями электропередачи постоянного тока, обычно незаметен.
Обычно непосредственное восприятие людей под линиями электропередачи постоянного тока определяется на основе большого количества тестов восприятия человеческого тела. Испытания прямого восприятия в США под линиями электропередачи постоянного тока показали, что для людей в обычной обуви их волосы и кожа не воспринимают раздражение, пока электрическое поле не станет равным 30 кВ / м. ICNIRP отметила, что у большинства людей поверхностные заряды не вызывают дискомфортных ощущений, когда электрическое поле меньше 25 кВ / м.Проведенное в бывшем Советском Союзе исследование эффектов электрического поля постоянного тока пришло к выводу, что допустимая напряженность электрического поля под линиями постоянного тока может достигать 50 кВ / м. Тесты прямого восприятия, проведенные Китайским научно-исследовательским институтом электроэнергетики (CEPRI) под линиями постоянного тока, показали, что человеческие волосы и кожа наиболее чувствительны к электрическим полям постоянного тока. Если напряженность электрического поля земли E менее 30 кВ / м, восприятие кожи не заметно. Если E составляет 30 кВ / м, 35 кВ / м, 38 кВ / м и 44 кВ / м, обнаженная кожа воспринимает легкую стимуляцию, относительно значительную стимуляцию, очень значительную стимуляцию и острую стимуляцию соответственно.Восприятие стимуляции на коже исчезает сразу же, когда человек покидает зону с сильным электрическим полем, после чего человек не испытывает дискомфорта.
Движение ионов, создаваемых короной на линиях передачи постоянного тока, формирует ионный ток. Ионы будут прилипать к объектам, изолированным от земли, и возбуждать их. Когда человек прикасается к этим предметам, могут возникать искровые разряды, которые называются кратковременными электрическими ударами. Заряды будут индуцироваться на поверхности человеческого тела в сильных электрических полях.Если человеческое тело хорошо изолировано от земли, кратковременное поражение электрическим током может также произойти, когда человек касается заземляющего объекта. Кратковременное поражение электрическим током можно разделить на класс 0, класс 1 и класс 2 в зависимости от степени тяжести. Кратковременное поражение электрическим током класса 0 определяется как ощутимое поражение электрическим током. Кратковременное поражение электрическим током класса 1 может вызвать физический дискомфорт, боль и вегетативную реакцию мышц, но не вызывает прямого физического повреждения. Кратковременное поражение электрическим током класса 2 может причинить прямой вред людям, нижний предел которого указывает на 99.5% людей, пострадавших от поражения электрическим током, могут избавиться от него самостоятельно. Линии электропередачи во всем мире спроектированы таким образом, чтобы при контакте людей с транспортными средствами или другими объектами под линиями электропередачи не происходило кратковременное поражение электрическим током класса 2, а кратковременное поражение электрическим током класса 1 допустимо, но с минимальной интенсивностью. Испытания на кратковременный электрошок, один из пунктов исследования линий электропередачи сверхвысокого и сверхвысокого напряжения постоянного тока, проведенного CEPRI, показывают, что люди ничего не ощущают, когда прикасаются к большим транспортным средствам в электрическом поле 12–26 кВ / м.В результирующем электрическом поле заземления 6,1–15,1 кВ / м люди в обычной обуви не воспринимают имитацию при прикосновении к заземленному металлическому объекту, одновременном касании заземляющего провода и другого металлического провода, изолированного от земли, или при ходьбе под линией с зонтом. . Для экстремальных условий, когда человек касается металлической ручки зонта и одновременно соприкасается с проводом заземления, результаты испытаний следующие: когда результирующая напряженность электрического поля E земли меньше 9.6 кВ / м, ничего не воспринимается; небольшое восприятие для E между 11 кВ / м и 13 кВ / м; ощущение разряда похоже на прикосновение к водопроводному крану, но с меньшей величиной для E от 14,6 кВ / м до 15,1 кВ / м; кратковременное поражение электрическим током аналогично разряду при прикосновении человека к водопроводному крану для E до 32,5 кВ / м. Эти поражения электрическим током относятся к классу 0.
В отличие от линий электропередачи переменного тока, в нормально работающей линии электропередачи постоянного тока практически отсутствует ток передачи из-за изменений электрического поля.Прямое физическое восприятие и кратковременное поражение электрическим током являются основными проблемами при установлении пределов электрического поля для линий электропередачи постоянного тока. На основании вышеупомянутых испытаний результирующее электрическое поле под линиями электропередачи, где может иметь место деятельность человека, должно быть ограничено до 30 кВ / м, чтобы избежать очевидного восприятия электрического поля людьми под линиями электропередачи постоянного тока. Результирующее электрическое поле земли в местах с жилыми домами должно быть ограничено до 15 кВ / м, чтобы не происходило заметного кратковременного поражения электрическим током.
Ограничения на электрическое поле и плотность ионного тока в линиях передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения
Многие страны выдвинули ограничения на электрическое поле и плотность ионного тока в линиях передачи постоянного тока. В Китае в соответствии с промышленным стандартом DL / T 1088–2008 Предел параметров электромагнитной среды для ± 800 кВ Линии передачи UHVDC и корпоративный стандарт SGCC Q / GDW 145–2006 Предел электромагнитной среды для ± 800 кВ постоянного тока Воздушные линии передачи , ограничения на электрическое поле и плотность ионного тока для линий электропередачи UHVDC ± 800 кВ должны быть такими же, как и для линий электропередачи HVDC ± 500 кВ.