Електри́чний струм — упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у речовині чи у вакуумі. Як зазначено в законі Ампера, це стає помітним через магнітне поле і зазвичай призводить до нагрівання провідника (не відбувається у надпровідниках).
Струм виникає в електричному колі, щойно між клемами джерела живлення виникає провідне з'єднання.
До того ж, струм зміщення є частиною електричного струму. Це викликано не рухом зарядів, а зміною потоку електричного поля. Для прикладу, він з'являється між пластинами конденсатора під час його заряджання або розряджання і створює магнітне поле, як і звичайний струм.
Загальні властивості
Рухомі заряди, які утворюють електричний струм, називають носіями струму: у металах це електрони, у напівпровідниках — електрони та дірки, в електролітах — позитивно та негативно заряджені іони, в іонізованих газах — іони й електрони.
Упорядкований рух носіїв струму в електропровідному середовищі під дією електричного поля називають струмом провідності. Якщо рух зарядів відбувається разом з тілом, на якому вони перебувають, то такий струм називають конвекційним. Прикладом конвекційних струмів є струми, які виникають під час падіння заряджених краплин води в атмосфері, завдяки силі тяжіння. Короткочасні електричні струми виникають також у діелектриках внаслідок зміщення зв'язаних електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля. Такі струми називають струмами поляризації.
За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Отже, напрямок струму в металевих провідниках, є протилежним до напрямку руху електронів.
Кількісні показники
Сила та густина струму Кількісно електричний струм характеризується диференційною векторною величиною густиною струму, або у разі струму в дротах — інтегральною величиною, силою струму.
Густиною струму називають векторну величину, що визначається, як величина заряду, яка протікає крізь одиничну площу за одиницю часу. Вона позначається, зазвичай, латинською літерою . Напрямок густини струму визначається напрямком потоку зарядів. Згідно із законом Ома у диференціальній формі густина струму у середовищі є пропорційною до напруженості електричного поля та питомої електропровідності середовища :
Силою струму (в електротехніці — струмом), що протікає провідником з площею поперечного перерізу називається величина, яка відповідає кількості заряду , переміщеному крізь переріз провідника за проміжок часу : .
Загальноприйнятим символом струму є , що походить від французької фрази intensité du courant (інтенсивність струму). Цей символ був використаний Андре-Марі Ампером при формулюванні закону Ампера (1820).
У Міжнародній системі одиниць SI сила струму вимірюється в амперах (позначається: А). Відповідно, густина струму вимірюється в A/м².
Якщо за кожен проміжок часу заряд , що переноситься є однаковим і напрямок струму незмінним, то такий струм називають постійним струмом (, DC).
Якщо сила струму змінюється у часі, струм називають змінним (, AC); описують миттєве значення сили цього струму так: .
За законом Ома для ділянки кола сила струму є прямо пропорційною напрузі , прикладеній до цієї ділянки кола, і обернено пропорційною до її опору :
Якщо на ділянці кола електричний струм є змінним, то напруга та сила струму змінюються і у разі гармонічного закону цих змін, середні значення напруги і сили струму дорівнюють нулю. Однак середня потужність тепла, що виділяється є відмінною від нуля. Тому у цьому разі застосовують наступні терміни: миттєве значення електричного струму — значення електричного струму в певну мить часу; амплітудне значення електричного струму — найбільше абсолютне значення сили струму, що змінюється в часі за законом синуса; чинне значення (синусоїдального електричного) струму — середнє квадратичне значення електричного струму за період, яке дорівнює значенню постійного струму, котрий в тому ж резисторі, що й змінний електричний струм, за один і той же проміжок часу, виділяє одну й ту ж кількість тепла.
Потужність За наявності струму в провіднику виконується робота на подолання сил електричного опору. Електричний опір довільного провідника містить дві складові: активний опір — протидія проходженню струму що супроводжується випромінюванням тепла; реактивний опір — це спротив проходженню змінного струму, обумовлений електричною ємністю та індуктивністю кола чи його ділянки.
Зазвичай, більша частина втрат енергії електричного струму під час його протікання провідником, виявляється у вигляді передавання тепла повітрю. Потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості тепла, яке розсіялось за одиницю часу. Згідно із законом Джоуля — Ленца потужність теплових втрат у провіднику є пропорційною до сили струму, котрий проходить крізь нього, та прикладеній напрузі:
Потужність вимірюється у ватах (Вт).
У суцільному середовищі питома потужність втрат визначається скалярним добутком вектора густини струму та вектора напруженості електричного поля у заданій точці:
Питома потужність вимірюється у ватах на кубічний метр (Вт/м³).
Опір випромінювання, викликається утворенням електромагнітних хвиль навколо провідника. Цей опір перебуває у складній залежності від форми, розмірів і матеріалу провідника, від довжини хвиль, що випромінюються, діелектричної і магнітної проникності навколишнього середовища та властивостей простору, у якому відбувається випромінювання. Для одиничного прямолінійного провідника, довжина якого суттєво менша від довжини електромагнітних хвиль, потужність випромінювання є набагато меншою порівняно з потужністю теплових втрат. Це є притаманним для невеликих частот, наприклад, 50 Гц. Однак зі зростанням частоти, довжина хвилі зменшується, відповідно збільшується потужність випромінення. Провідник, який здатен випромінювати помітну енергію, називається антеною.
Період та частота Визначення періоду та частоти стосуються змінного струму, котрий періодично змінює силу та/або напрямок, зокрема промислового струму, що змінюється за гармонічним законом (синусоїда).
Період електричного струму — найменший проміжок часу, за який, повторюються миттєві значення періодичного електричного струмуДСТУ 2815-94. Електричні й магнітні кола та пристрої. Терміни та визначення.ДСТУ 2843-94. Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення..
Частота електричного струму — величина, обернена до періоду електричного струму. Частота струму вимірюється в герцах (Гц).
Вимірювання Сила струму вимірюється приладами, які називають амперметрами і гальванометрами. В цих приладах зазвичай вимірюється не сам струм, а механічна дія створеного ним магнітного поля.
Чим зумовлений струм Електричний струм в речовині виникає під дією електричного поля. Електричне поле змушує рухатися вільні носії заряду: електрони, дірки чи іони. Узгоджений рух носіїв заряду у зовнішньому електричному полі називається дрейфовим струмом.
Електричний струм виникає також під дією відмінних від електричного поля, причин. У таких випадках говорять, що електричний струм зумовлений сторонніми силами. Кількісною характеристикою здатності сторонніх сил створювати електричний струм, є так звана електрорушійна сила, або скорочено ЕРС.
Розглянемо кілька різних прикладів створення струму сторонніми силами.
Дифузійний струм виникає тоді, коли носії заряду розподілені в речовині неоднорідно. Дифузійний струм важливий для роботи напівпровідникових приладів, зокрема транзисторів.
У гальванічних елементах, батарейках, акумуляторах електричний струм виникає внаслідок хімічних перетворень, які відбуваються на межі електродів з електролітом.
У термоелектричних джерелах струму електричний струм виникає внаслідок градієнта температури.
Електричний струм викликається також змінним магнітним полем. Зміна магнітного потоку створює вихрове електричне поле, яке й призводить до руху носіїв заряду.
Прояви електричного струму Електричний струм має наступні прояви, які обумовлюють його діяльне використання. Електричний струм створює магнітне поле, напруженість якого визначається законом Біо — Савара. Магнітне поле, створене струмом, використовується для вимірювання сили струму, а також для передавання та перетворення енергії в електричних машинах та апаратах. Проходження електричного струму крізь речовину, призводить до тепловиділення. У разі провідника зі скінченним опором, це тепловиділення описується законом Джоуля — Ленца. Інколи це явище є небажаним, оскільки знижує коефіцієнт корисної дії та може призвести до перегрівання електричного обладнання, в інших же випадках така дія електричного струму застосовується для користі — в електронагрівальному обладнанні. Під час проходження струму крізь контакт двох провідників, тепло може як виділятися, так і поглинатися (ефект Пельтьє). Подібні до ефекту Пельтьє явища, виникають під час проходження електричного струму крізь провідник із нерівномірним розподілом температури. Електричний струм в газах (газовий розряд) викликає світіння, що є частковим випадком електролюмінесценції. Схожі явища виникають у світлодіодах. Під час проходження крізь електроліт, електричний струм супроводжується електролізом — електрохімічними процесами окиснення та відновлення на електродах. За електролізу, позитивно заряджені іони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені іони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окиснюються. У підсумку електролізу на електродах виділяються речовини (метали, водень, хлор тощо) в кількостях, пропорційних до часу та величини пропущеного струму.
Класична кінетична теорія Виходячи з положень кінетичної теорії, електричний струм переноситься зарядженими частинками, які називають носіями заряду. Носіями заряду, залежно від фізичної системи можуть бути електрони, іони або, в твердому тілі, квазічастинки: електрони провідності, дірки, полярони тощо.
Для класичної системи носіїв заряду із зарядом e безмежно малий заряд dQ, що переноситься за час dt крізь елементарну площинку dS, перпендикулярну напрямку середньої швидкості v частинок визначається так: ,
де — заряд частинок, — швидкість руху частинок, а — їхня кількість в одиниці об'єму.
Сила струму dI крізь площинку визначається співвідношенням
згідно з яким — густина електричного струму, де риска над символами означає усереднення.
Струм у квантовій механіці У квантовій механіці електричний струм описується делокалізованими хвильовими функціями. Суттєво те, що ці функції комплексні. Дійсними хвильовими функціями описати протікання струму неможливо.
Цей висновок дуже важливий для розуміння квантової механіки. Стаціонарні стани зв'язаних електронів, наприклад, електронів атомних оболонок, описуються локалізованими хвильовими функціями, які суттєво дійсні. Такі електрони не дають жодного вкладу в електричний струм. Згідно з уявленнями класичної механіки, електрон на атомній орбіті обертається навколо ядра, й це обертання повинно було б приводити до виникнення замкнених струмів у кожному атомі. У квантовій фізиці таких струмів немає. Проте становище змінюється в магнітному полі.
Для квантовомеханічної частинки, яка описується хвильовою функцією ψ, густина струму задається формулою ,
де q — заряд частинки, m — її маса, i — уявна одиниця, — зведена стала Планка.
Якщо хвильову функцію записати у вигляді , де ρ — модуль, а α — фаза, то формула для обчислення струму запишеться у вигляді .
Наприклад, для вільної частинки із імпульсом , де — хвильовий вектор, хвильова функція має вигляд , і струм дорівнює
,
що збігається із формулою класичної фізики.
Загальна формула для струму в магнітному полі У магнітному полі та для частинки зі спіном квантовомеханічна формула для обчислення струму змінюється ,
де — векторний потенціал, s — значення спіну, — оператор спіну, а μ — характерна для кожної частинки стала.