Плотность тока буква: что это такое, в чем измеряется, как найти

что это такое, формула, единица измерения

В этой статье мы познакомим вас с плотностью электрического тока. Мы объясним, почему это величина важна в электротехнике, покажем ее формулу, а также проведем несколько примеров расчетов.

Простое объяснение

Плотность тока J — векторная физическая величина, характеризующая плотность потока электрического заряда в рассматриваемой точке.

Википедия

Высокая плотность электрического тока вызывает нагрев кабеля. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы не превысить допустимую допустимую силу тока в линии или проводнике. Кроме того, эффективное сечение проводника может уменьшаться при воздействии высокочастотных сигналов (скин-эффект), что увеличивает плотность тока. Поэтому при выборе проводника необходимо учитывать не только фактический ток, но и частоту сигнала.

Формулы

Как уже упоминалось выше, плотность тока J описывает отношение электрического тока к площади, через которую он протекает, то есть: J = I / S . Здесь J — плотность тока, I — сила тока, S — площадь поперечного сечения.

Единица измерения — соответственно амперы на квадратный метр, то есть [ J ] = А / м² .

Однако часто плотность тока также указывают в амперах на квадратный миллиметр ( А / мм² ), поскольку сечения обычных проводников (проводов, кабелей) имеют такой порядок величины.

Пример расчёта

В общем случае для расчета плотности тока учитываются геометрические свойства кабеля. На их основе можно сначала рассчитать площадь поперечного сечения, а затем, при известной силе тока, плотность тока.

Медный провод

Ниже приводится расчет плотности тока для медного провода диаметром 1 мм, по которому течет ток 8 А. Предполагается, что линия имеет круглое поперечное сечение.

Сначала рассчитаем площадь поперечного сечения провода, зная, что его диаметр d = 1 мм:

S = r² * π = π * d² / 4 = π * 1² / 4 = 0, 785 мм² .

Тогда плотность тока J может быть рассчитана по приведенной выше формуле. Для тока I = 8А и площади поперечного сечения S = 0,785 мм² получаем: J = 8 / 0,785 = 10, 2 А / мм² .

Токопроводящие дорожки

В отличие от кабеля, сечение токопроводящей дорожки не круглое, а прямоугольное. Здесь мы рассматриваем медную проводниковую дорожку шириной 0,5 мм и толщиной 0,035 мм.

Рис. 1. Расчёт плотности тока в токопроводящей дорожке

Вы можете рассчитать площадь прямоугольного поперечного сечения токопроводящей дорожки, умножив ширину токопроводящей дорожки на толщину меди: S = 0,5 * 0,035 = 0,0175 мм² .

Для тока I, равного 200 мА, плотность тока J составляет: J = I / S = 0,2 / 0,0175 = 11,43 А / мм² .

Применение

Плотность тока особенно важна в тех случаях, когда необходимо оптимизировать сечение проводника по соображениям стоимости, площади и веса. Как правило, сечение проводника выбирается как можно меньше, чтобы соответствовать условиям применения.

Здесь важно, чтобы фактическая плотность тока в проводнике не превышала максимально допустимую плотность тока. Причина этого в том, что каждый электрический проводник имеет электрическое сопротивление. При протекании электрического тока на этом сопротивлении возникает падение электрического напряжения. В результате происходит преобразование энергии и нагрев линии. Чрезмерный нагрев может повредить изоляцию проводника и вызвать серьезные повреждения.

Именно поэтому, например, допустимые плотности тока для бытовых установок регламентируются соответствующими стандартами. Кроме того, все кабели в домашних хозяйствах оснащены предохранителем, который срабатывает до достижения максимально допустимой плотности электрического тока.

В автомобильном секторе важную роль играет экономия веса и пространства. Поэтому здесь также тщательно подбираются кабели, чтобы найти компромисс между нагревом и весом/пространством.

Удельное электрическое сопротивление: что это такое?

Большинство законов физики основано на экспериментах. Имена экспериментаторов увековечены в названиях этих законов. Одним из них был Георг Ом.

Опыты Георга Ома

Он установил в ходе экспериментов по взаимодействию электричества с различными веществами, в том числе металлами фундаментальную взаимосвязь плотности электрического тока, напряжённости электрического поля и свойства вещества, которое получило название «удельная проводимость». Формула, соответствующая этой закономерности, названная как «Закон Ома» выглядит следующим образом:

j= λE, в которой

• j — плотность электрического тока;
• λ — удельная проводимость, именуемая также как «электропроводность»;
• E – напряжённость электрического поля.

В некоторых случаях для обозначения удельной проводимости используется другая буква греческого алфавита — σ. Удельная проводимость зависит от некоторых параметров вещества. На её величину оказывают влияние температура, вещества, давление, если это газ, и самое главное структура этого вещества. Закон Ома соблюдается только для однородных веществ.

Для более удобных расчётов используется величина обратная удельной проводимости. Она получила название «удельное сопротивление», что так же связано со свойствами вещества, в котором течёт электрический ток, обозначается греческой буквой ρ и имеет размерность Ом*м. Но поскольку для различных физических явлений применяются разные теоретические обоснования, для удельного сопротивления могут быть использованы альтернативные формулы. Они являются отображением классической электронной теории металлов, а также квантовой теории.

Формулы

В этих утомительных, для простых читателей, формулах появляются такие множители, как постоянная Больцмана, постоянная Авогадро и постоянная Планка. Эти постоянные применяются для расчетов, которые учитывают свободный пробег электронов в проводнике, их скорость при тепловом движении, степень ионизации, концентрацию и плотность вещества. Словом, всё довольно сложно для не специалиста. Чтобы не быть голословным далее можно ознакомиться с тем, как всё выглядит на самом деле:

Особенности металлов

Поскольку движение электронов зависит от однородности вещества, ток в металлическом проводнике течёт соответственно его структуре, которая влияет на распределение электронов в проводнике с учётом его неоднородности. Она определяется не только присутствием включений примесей, но и физическими дефектами – трещинами, пустотами и т.п. Неоднородность проводника увеличивает его удельное сопротивление, которое определяется правилом Маттисена.

Это несложное для понимания правило, по сути, говорит о том, что в проводнике с током можно выделить несколько отдельных удельных сопротивлений. А результирующим значением будет их сумма. Слагаемыми будут удельное сопротивления кристаллической решётки металла, примесей и дефектов проводника. Поскольку этот параметр зависит от природы вещества, для вычисления его определены соответствующие закономерности, в том числе и для смешанных веществ.

Несмотря на то, что сплавы это тоже металлы, они рассматриваются как растворы с хаотической структурой, причём для вычисления удельного сопротивления имеет значение, какие именно металлы входят в состав сплава. В основном большинство сплавов из двух компонентов, которые не принадлежат к переходным, а также к редкоземельным металлам попадают под описание законом Нодгейма.

Как отдельная тема рассматривается удельное сопротивление металлических тонких плёнок. То, что его величина должна быть больше чем у объёмного проводника из такого же металла вполне логично предположить. Но при этом для плёнки вводится специальная эмпирическая формула Фукса, которая описывает взаимозависимость удельного сопротивления и толщины плёнки. Оказывается, в плёнках металлы проявляют свойства полупроводников.

А на процесс переноса зарядов оказывают влияние электроны, которые перемещаются в направлении толщины плёнки и мешают перемещению «продольных» зарядов. При этом они отражаются от поверхности плёночного проводника, и таким образом один электрон достаточно долго совершает колебания между его двумя поверхностями. Другим существенным фактором увеличения удельного сопротивления является температура проводника. Чем выше температура – тем сопротивление больше. И наоборот, чем ниже температура, тем сопротивление меньше.

Металлы являются веществами с наименьшим удельным сопротивлением при так называемой «комнатной» температуре. Единственным неметаллом, который оправдывает своё применение как проводник, является углерод. Графит, являющийся одной из его разновидностей, широко используется для изготовления скользящих контактов. Он имеет очень удачное сочетание таких свойств как удельное сопротивление и коэффициент трения скольжения. Поэтому графит является незаменимым материалом для щёток электродвигателей и других скользящих контактов. Величины удельных сопротивлений основных веществ, используемых для промышленных целей, приведены в таблице далее.

Сверхпроводимость

При температурах соответствующих сжижению газов, то есть вплоть до температуры жидкого гелия, которая равна – 273 градуса по Цельсию удельное сопротивление уменьшается почти до полного исчезновения. И не только у хороших металлических проводников, таких как серебро, медь и алюминий. Практически у всех металлов. При таких условиях, которые называются сверхпроводимостью, структура металла не имеет тормозящего влияния на движение зарядов под действием электрического поля. Поэтому ртуть и большинство металлов становятся сверхпроводниками.

Но, как выяснилось, относительно недавно в 80-х годах 20-го века, некоторые разновидности керамики тоже способны к сверхпроводимости. Причём для этого не надо использовать жидкий гелий. Такие материалы назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Однако уже прошло несколько десятков лет, и ассортимент высокотемпературных проводников существенно расширился. Но массового использования таких высокотемпературных сверхпроводящих элементов не наблюдается. В некоторых странах сделаны единичные инсталляции с заменой обычных медных проводников на высокотемпературные сверхпроводники. Для поддержания нормального режима высокотемпературной сверхпроводимости необходим жидкий азот. А это получается слишком дорогим техническим решением.

Поэтому, малое значение удельного сопротивления, дарованное Природой меди и алюминию, по-прежнему делает их незаменимыми материалами для изготовления разнообразных проводников электрического тока.

Плотность | Блог Гэри Гарбера

Обычно, когда мы говорим о плотности, мы имеем в виду массовую плотность, которая представляет собой массу на единицу объема. Обычно это выражается уравнением

, где греческая буква ρ обозначает плотность, m — массу, а V — объем. В некоторых текстах для обозначения плотности используется буква D.

В метрической системе мы могли бы использовать единицы измерения граммы на миллилитр, граммы на кубический сантиметр или килограммы на кубический метр. Стоит отметить, что c.c или кубический сантиметр равен одному миллилитру. Вы часто слышите термин c.c. в плохих телевизионных шоу о больничных отделениях неотложной помощи.

Однако мы могли бы также иметь плотность заряда, плотность тока, плотность энергии и многое другое!

Плотность твердого объекта зависит не только от массы отдельных атомов, но и от того, как эти атомы расположены. Какая кристаллическая решетка создает промежутки между атомами, или твердое аморфное пятно?

Стоит отметить, что плотность воды составляет 1 г/мл или 1000 кг/куб.м Это во многом связано с историческим контекстом и той ролью, которую вода сыграла в определении грамма.

Большинство металлов имеют плотность примерно в 10 раз больше плотности воды. Эта таблица плотности представлена ​​в единицах г/мл

Твердые вещества
Магний	1,7
Алюминий	2,7
Медь	8,3-9,0
Золото	19,3
Железо	7,8
Свинец	11,3
Платина	21,4
Уран	18,7
Осмий	22,5
Лед при 0°С	0,92

На уроках древней истории вы, вероятно, прочтете историю об Эврике Архимеда. Как гласит история, нечестный ювелир смешал некоторые другие металлы в короне, сделанной для Иеро Сиракузского. Царь попросил Архимеда определить, настоящее ли это золото. Архимед смог измерить вес, но не объем, так как корона имела неправильную форму. Принимая ванну, Архимед наткнулся на решение проблемы и голышом пробежал по улицам Сиракуз. По правде говоря, Архимед никогда не писал об этом, и эту историю можно приписать Витрувию. Вы должны прочитать отрывки Витривиуса, которые находятся в параграфах 9-12. Конечно, вся эта история несколько подозрительна, как описано в этой статье в Scientific American.

Я закончу это парой мыслей. Почему нельзя тонуть в мертвом море?

И что происходит на этой картинке? Почему цвета в этом цилиндре не смешиваются?

Немного напоминает мне Tequila Sunrise.

И последнее, чем можно поделиться, — отличное видео на YouTube из музея в Канаде.

Примечания по плотности тока Заглавная буква I является общепринятым символом тока. Ампер (А) является стандартной единицей силы тока. С другой стороны, ток в один ампер представляет собой заряд в один кулон, проходящий через определенное место каждую секунду. По мнению физиков, обычный ток определяется как ток, который перемещается из относительно положительных мест в отрицательные. Электроны являются наиболее распространенными отрицательно заряженными носителями, и они переходят из отрицательного состояния в положительное.

Типы тока

Ток можно разделить на два типа:

1. Постоянный ток: Постоянный ток означает постоянный ток, представляющий собой поток электрического заряда, который не меняет направления. Батареи, топливные элементы, выпрямители и генераторы с коммутаторами производят постоянный ток. Поскольку в конце 1880-х годов было неэкономично адаптировать постоянный ток к высоким напряжениям, необходимым для передачи на большие расстояния, его заменили переменным током (AC) для обычного коммерческого электричества.

В настоящее время постоянный ток передается на очень большие расстояния, несмотря на то, что обычно он должен быть преобразован в переменный ток для окончательного распределения благодаря методам, разработанным в 1960-х годах. Постоянный ток требуется для некоторых применений, таких как гальваника.

1. Переменный ток: AC означает переменный ток, представляющий собой поток электрического заряда, который периодически меняется. Он начинается с нуля, увеличивается до максимума, снижается до нуля, разворачивается, достигает максимума в противоположном направлении, возвращается к исходному числу и так далее. Период — это временной интервал между достижением определенного значения в двух последовательных циклах, частота — это количество циклов или периодов в секунду, а амплитуда переменного тока — это наибольшее значение в любом направлении.

Низкие частоты, такие как 50 и 60 циклов в секунду (Гц), используются для бытового и коммерческого электричества, но телевидение использует переменный ток примерно 100 000 000 циклов в секунду (100 мегагерц), а радар и микроволновая связь используют частоты несколько тысяч мегагерц. Сотовые телефоны используют частоты примерно 1000 мегагерц (1 гигагерц).

Плотность тока

В проводнике плотность тока определяется как скорость протекания заряда через любое поперечное сечение проводника. Поток электронов обычно рассматривается как электрический ток. Электроны вытекают из одного конца батареи по проводу и попадают на другой конец батареи, когда два конца батареи соединены металлической проволокой. Если величина тока постоянна и направление остается постоянным, он считается устойчивым.

Плотность тока в проводнике называется плотностью тока. Буква J обозначает это. Плотность тока и ее измерение имеют решающее значение в науке об электромагнетизме. Поток электрического заряда в амперах на единицу площади поперечного сечения, т. е. А/м2, является единицей измерения. Это векторная величина, поскольку величина определяет направление потока. Ток электричества, который проходит через единицу площади и имеет единицы заряда в единицу времени на единицу площади. Он также измеряется в направлении, перпендикулярном направлению потока.

Формула для плотности тока

Формула для плотности тока может быть представлена ​​следующим образом: м2

Единицей измерения плотности тока является А/м2.

Формула измерения плотности тока

Формула измерения плотности тока выглядит следующим образом: 

[M0L-2T0I1] 

Здесь

M = масса

I = Ток

L = Длина

T = Время

Значение плотности тока

Плотность тока влияет на конструкцию электрических и электронных систем.

Указанный уровень тока оказывает большое влияние на характеристики цепи, а плотность тока определяется размерами проводящих частей. Например, несмотря на более низкие требования по току для небольших устройств, существует тенденция к увеличению плотности тока для достижения большего количества устройств на все более меньших площадях микросхемы по мере уменьшения размеров интегральных схем.

Проводящая область провода замыкается вблизи его поверхности на высоких частотах, увеличивая плотность тока в этой области. Эффект кожи является термином для этого.

Слишком высокая плотность тока имеет неблагоприятные последствия. Поскольку большинство электрических проводников имеют ограниченное положительное сопротивление, мощность рассеивается в виде тепла. Чтобы избежать плавления или возгорания проводника, выхода из строя изоляционного материала или изменения желаемых электрических характеристик, плотность тока должна поддерживаться на низком уровне. Материал, образующий связи, на самом деле движется при высокой плотности тока, явление, известное как электромиграция. Чрезмерная плотность тока в сверхпроводниках может создать достаточно сильное магнитное поле, чтобы вызвать спонтанную потерю свойства сверхпроводимости.

Анализ плотности тока и наблюдение также используются для изучения физики, лежащей в основе природы твердых тел, таких как металлы, полупроводники и изоляторы. Многие фундаментальные открытия были объяснены с использованием сложной теоретической основы.

Закон Ампера (одно из уравнений Максвелла) связывает плотность тока с магнитным полем и включает плотность тока в качестве ключевого параметра.