Prąd elektryczny, rodzaje prądu, wielkości opisujące prąd.

Prąd elektryczny ? każdy uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako pochodną ładunku elektrycznego q, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika, po czasie t przepływu tego ładunku:
lub
Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A].Natężenie prądu I można wyrazić też przez liczbę ładunków przepływających przez powierzchnię S, mających prędkość v

gdzie: n - koncentracja nośników prądu wyrażona przez ich liczbę na jednostkę objętości (poruszających się w tym samym kierunku), q - ładunek każdego z nośników, v - składowe prędkości nośników w kierunku prostopadłym do powierzchni S, przez którą płynie prąd o natężeniu I. Bardzo często określenie prąd elektryczny używa się zamiennie z natężeniem prądu elektrycznego. W ośrodkach ciągłych prąd elektryczny opisuje się podając gęstość prądu opisujący przepływ ładunku przez jednostkową powierzchnię. W odróżnieniu od natężenia prądu, które jest skalarem i nie jest przypisana do punktu przestrzeni, gęstość prądu jest wektorem, a rozkład przestrzenny gęstości prądu nazywa się polem gęstości prądu. Ruch ładunku jest wywołany ruchem cząstek (lub pseudocząstek) obdarzonych ładunkiem, zwanych nośnikami prądu. Nośnikami prądu elektrycznego mogą być elektrony, jony bądź dziury, czyli puste miejsca po elektronach. W metalach swobodnie przemieszczają się jedynie elektrony, dlatego prąd elektryczny w metalach jest ruchem elektronów przewodnictwa. W półprzewodnikach nośnikami prądu są elektrony i dziury. W rozrzedzonych gazach nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i jony.
Rodzaje prądu elektrycznego:

*Prąd stały? w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów). Dla urządzeń, które używane są w pobliżu sieciowej energii elektrycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe. W zasilaczu sieciowe napięcie przemienne jest najpierw transformowane na odpowiedni poziom napięcia, prostowane za pomocą mostka Graetza oraz filtrowane, tak aby jego ostateczny przebieg był jak najbardziej zbliżony do wartości stałej. Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako:

gdzie: P ? moc, U ? stałe napięcie elektryczne, I ? stały prąd elektryczny.
Z powyższego równania wynika zatem, że tą sama moc (a więc i energię) można przesłać przy różnych wartościach napięcia i prądu. Przepływający prąd stały powoduje powstawanie strat cieplnych w przewodniku, których wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu. Dlatego też przy układach o wyższej mocy dąży się do zasilania jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obniżenia wartości natężenia prądu (dla tej samej wymaganej mocy). Niestety, transformacja prądu stałego nie jest możliwa. Obniżenie wartości wymaganego napięcia można wykonać stosunkowo łatwo (np. za pomocą dzielnika napięcia, lub diody Zenera), niemniej jednak są to metody stratne. Podwyższenie wartości napięcia praktycznie może być zrealizowane tylko za pomocą uprzedniej zmiany prądu stałego w przemienny, transformacje prądu przemiennego a następnie przetworzenie ponownie na prąd stały. Obecnie elektroniczne układy transformujące prąd stały (zarówno na wartości wyższe jak i niższe) osiągają duże sprawności, powyżej 90 %. Jednym z najpopularniejszych źródeł prądu (napięcia) stałego jest bateria, której napięcie wyjściowe ma wartość rzędu 1.5 V. W miniaturowych urządzeniach użycie więcej niż 2 (rzadko więcej niż 4) baterii nie jest możliwe z uwagi na ograniczenia gabarytowe. Dostępne napięcie jest więc rzędu 3 V, co czasami jest wartością niewystarczającą. W takim przypadku stosuje się więc opisane powyżej układy transformujące prąd stały.Termin prąd stały jest pojęciem wyidealizowanym. W rzeczywistości prąd taki zmienia się nieznacznie w czasie. Na przykład bateria lub akumulator ulegają procesowi rozładowania, co powoduje powolny spadek wartości napięcia ? nie jest to więc prąd całkowicie stały. Niemniej jednak jego zmienność w czasie jest o wiele wolniejsza niż w ma to miejsce dla dowolnego zasilacza ? całkowite odfiltrowanie wyższych harmonicznych powstających jako rezultat zasilania o częstotliwości 50 Hz (ewentualnie 60 Hz) nie jest w praktyce możliwe. Stosuje się więc taki rodzaj filtrowania, który prowadzi do praktycznie pomijalnie małych wahań napięcia (dla danej aplikacji). Prąd stały znalazł również szerokie zastosowanie w zasilaniu silników elektrycznych prądu stałego. Prędkość obrotowa takich silników może być regulowana w szerokim zakresie tylko poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego. Niestety z uwagi na złożoność konstrukcyjną (uzwojenie wirnika, komutator, itp.) silniki prądu stałego są o wiele droższe niż powszechnie stosowane silniki indukcyjne. W urządzeniach elektronicznych prąd stały stosuje się także do zasilania wszelkiego rodzaju przekaźników. Magnesowanie prądem stałym nie pociąga za sobą powstawania dodatkowych strat mocy na przemagnesowanie materiału magnetycznego rdzenia przekaźnika.

*Prąd przemienny? charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero. Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę przebiegu odkształconego. Cecha sinusoidalności przebiegów przemiennych jest wykorzystana w jednej z najważniejszych maszyn elektrycznych używanych obecnie, tj. transformatora. Przemienne napięcie zasilające transformator, powoduje występowanie przemiennego prądu płynącego w uzwojeniu pierwotnym. Generuje to sinusoidalnie zmienny (przemienny) strumień magnetyczny płynący w rdzeniu tranformatora. Sinusoidalny strumień magnetyczny, zgodnie z prawem Faradaya, powoduje powstanie sinusoidalnego napięcia w uzwojeniu wtórnym, które z kolei przyczynia się do sinusoidalnego prądu wyjściowego transformatora. Składowa stała jest tutaj zjawiskiem wysoce niepożądanym, ponieważ powoduje podmagnesowanie rdzenia, co prowadzi do podwyższonych strat na przemagnesowanie oraz niesymetryczność (niesinusoidalność) dalej przetwarzanych przebiegów czasowych, chociaż sama składowa stała ulega eliminacji. W układach niskiej mocy (np. elektronicznych) składową stałą usuwa się względnie łatwo poprzez włączenie w obwód szeregowego kondensatora. W początkowych latach rozwoju elektryczności używano sieci energetycznych prądu stałego. Upowszechnienie prądu przemiennego nastąpiło z uwagi na opisaną powyżej łatwość transformacji energii elektrycznej, ale również z uwagi na możliwość stosowania względnie prostych (a co za tym idzie i tanich) układów trójfazowych. W układach takich można stosować transformatory, oraz skojarzone układy trójfazowe. Układ trójfazowy pozwala na uzyskanie wirującego pola magnetycznego. Wirujące pole magnetyczne umożliwia budowę silników prądu przemiennego w tym i silników indukcyjnych, które są znacznie tańsze, prostsze i bardziej niezawodne niż inne silniki. Jednym z współtwórców układu trójfazowego był Michał Doliwo-Dobrowolski. Zasilanie odbiorników o charakterze rezystancyjnym prądem przemiennym nie różni się w praktyce znacznie od zasilania prądem stałym. Wynika to z faktu, że niezależnie od typu prądu zasilającego na odbiorniku rezystancyjnym wydziela się taka sama ilość energii dla prądów o takiej samej wartości skutecznej. Zjawisko to wykorzystuje się powszechnie w elementach grzejnych (np. elektryczne czajniki, grzałki kuchenki, piecyki, lutownice grzałkowe, itp.) Prąd przemienny jest także powszechnie używany do zasilania żarówek. Żarówki z żarnikiem z drucika wolframowego pobierają moc podobnie do rezystorów. Przepływający prąd powoduje wydzielanie się mocy na żarniku, który rozgrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, co powoduje emisję światła. Stosunkowo duża bezwładność cieplna powoduje, że pomimo ciągłych zmian wartości chwilowych prądu temperatura żarnika nie zmienia się aż tak gwałtownie. Skutkuje to równomiernym świeceniem, niewielkie wahania są niezauważalne dla ludzkiego oka. W lampach fluorescencyjnych świecenie powstaje w wyniku przepływu prądu przez gaz. Ponieważ wartości chwilowe prądu zmieniają się, również i jonizacja gazu podlega podobnym zmianom. Powoduje to migotanie emitowanego światła. W żarówkach kompaktowych stateczniki elektroniczne zasilają świetlówkę prądem o częstotliwości od 20kHz do 45kHz, lecz w lampach fluorescencyjnych z elementem ograniczającym prąd w postaci dławika, zasilanych bezpośrednio z sieci energetycznej (w Polsce z częstotliwością 50 Hz) zmiany te są niezbyt szybkie (100 razy na sekundę), choć ludzkie oko ich nie rejestruje, dłuższe przebywanie lub ciągła praca przy tego typu świetle może powodować zmęczenie wzroku. Co więcej, migotanie światła może powodować efekt stroboskopowy dlatego też oświetlenie tego typu jest zabronione w pobliżu wirujących części maszyn, które mogą być niebezpieczne dla zdrowia lub życia. Na przykład miejscowe oświetlenie w obrabiarkach jest realizowane zawsze za pomocą tradycyjnych żarówek z żarnikiem. Prąd przemienny daje się łatwo transformować na inne poziomy natężenia prądu lub napięcia. Moc elektryczna w danym układzie jest proporcjonalna do iloczynu natężenia prądu i napięcia (jak również zależy od przesunięcia fazowego pomiędzy nimi):

Dlatego też, taką sama moc można przesłać zarówno przy małym napięciu wówczas natężenie prądu jest duże, jak i przy dużym napięciu wówczas natężenie prądu jest małe (mocy nie ulega zmianie przy transformacji). Czym mniejsza wartość natężenia prądu (co za tym idzie większe napięcie), tym mniejsze straty mocy na rezystancji przewodów, w których płynie prąd. Dlatego też w systemach energetycznych do przesyłania bardzo dużych mocy na znaczne odległości stosuje się bardzo wysokie, tzw. najwyższe napięcie (w Polsce 400 kV lub nawet 750 kV). W klasycznym obwodzie elektrycznym prądu stałego odbiornikiem energii jest tylko rezystancja. W obwodach prądu przemiennego rezystancja jest odpowiedzialna za rozpraszanie mocy czynnej, ale dodatkowo występują elementy, które mogą pobierać, magazynować i oddawać energię elektryczną. Dowolny odbiornik nie jest więc już charakteryzowany tylko mocą czynną rozpraszaną na rezystancji R, ale również mocą bierną pobieraną i oddawaną przez reaktancję X. Sumę geometryczną tych dwóch wartości nazywa się impedancją Z.

Co więcej, reaktancja cewki może zostać skompensowana reaktancją kondensatora. Dlatego też wypadkowa reaktancja wynosi: X = XL - XC. W krytycznym przypadku gdy XL = XC następuje rezonans napięć, który może być bardzo niebezpieczny dla elementów układu. Czasami jednak jest to zjawisko pożyteczne - wykorzystywane np. w przesyle sygnałów radiowych. (W przypadku obwodu równoległego zachodzą podobne zjawiska, określane odpowiednio jako: konduktancja G (odpowiednik rezystancji), susceptancja B (reaktancja), admitancja Y (impedancja) oraz rezonans prądów.) Przy wysokich częstotliwościach prądu przemiennego występuje zjawisko naskórkowości polegające na wzroście pozornej oporności przewodnika. Dlatego też do przesyłu wysokich częstotliwości stosuje się przewody od jak najmniejszej grubości lub też kilka/kilkadziesiąt takich przewodów splecionych razem.

*Prąd tętniący ? prąd elektryczny okresowo zmienny, którego wartość średnia całookresowa w ciągu jednego okresu jest różna od zera. Oznacza to, że taki prąd posiada składową stałą. Najczęściej spotykanym przykładem prądu tętniącego jest prąd płynący z prostownika prądu przemiennego przed odfiltrowaniem składowej zmiennej. Niemniej jednak prądy tętniące powstają również w przypadku zasilania napięciem stałym układu, który generuje zmienne obciążenia. W praktyce prądy tętniące są raczej niepożądanym zjawiskiem, ponieważ dąży się albo do uzyskania prądu (napięcia) przemiennego (składowa zmienna = 100 %, składowa stała = 0 %), lub też prądu (napięcia) stałego (składowa zmienna = 0 %, składowa stała = 100 %). Dlatego też stosuje się wszelkiego rodzaju układy filtrujące, które mają za zadanie tłumić wahania wartości natężenia prądu. Najprostszym sposobem filtrowania jest szeregowa cewka lub równoległy kondensator. Każdy z tych elementów magazynuje energię, która jest oddawana w momencie obniżenia prądu (względnie napięcia). Powoduje to zmniejszenie amplitudy zmian prądu płynącego w obwodzie. Powoduje to oczywiście przepływ prądów zmiennych wewnątrz takiego układu filtrującego. Z uwagi na to do filtrowania prądów tętniących muszą być stosowane specjalnie zaprojektowane cewki i kondensatory, ponieważ przy bardzo dużych wartościach prądów wewnętrznych mogłoby dojść do uszkodzenia takiego elementu.