Curentul electric continuu

Curentul electric continuu

Miscarea dirijata a particulelor incarcate electric (electroni, ioni pozitivi sau negativi, goluri) numite si purtatori de sarcina, constituie curentul electric.

Tipul purtatorilor de sarcina difera de la un mediu la altul, putand exista concomitent mai multe tipuri, in concentratii egale sau diferite, adica un tip de purtatori majoritari, respectiv un alt tip de purtatori minoritari.

Curentul electric este asigurat in metale de electroni, in lichide (electroliti) de ioni pozitivi sau negativi, iar in gazele ionizate de ioni moleculari sau atomici si electroni. In semiconductori conductia electrica este realizata de electroni si goluri.

Un mediu fara purtatori de sarcina mobili, nu poate fi strabatut de curent electric. El se numeste izolator. Cel care contine purtatori de sarcina electrica capabili sa se deplaseze pe distante apreciabile se numeste conductor.

Datorita agitatiei termice curentul electric apare numai cand conductorul este plasat intr-un camp electric, purtatorii de sarcina pozitiva vor fi actionati in sensul campului iar cei negativi in sens contrar. Sensul curentului electric coincide totdeauna cu sensul campului electric, adica cu sensul de miscare a sarcinii pozitive.

Curentul electric datorat deplasarii purtatorilor de sarcina microscopici se numeste curent de conductie, iar cel datorat unor particule macroscopice incarcate electric se numeste curent de convectie. Curentul electric de conductie este cel mai important in aplicatiile practice.

In conductori omogeni si izotropi curentul electric este caracterizat de marimea fizica scalara numita intensitate curent electric, notata cu I, care reprezinta cantitatea de sarcina electrica totala (pozitiva si negativa) care traverseaza (intr-un sens sarcinile pozitive si in sens contrar cele negative), in unitatea de timp, sectiunea unui conductor:

(1)

Daca intensitatea curentului electric este constanta in timp atunci vorbim de un curent electric stationar.

Aparatul pentru masurarea intensitatii curentului electric se numeste ampermetru. Acesta se conecteaza in serie cu circuitul unde se doreste masurarea intensitatii curentului. Pentru a nu modifica valoarea rezistentei electrice a circuitului, respectiv a nu modifica intensitatea curentului electric, rezistenta electrica a acestuia, R_A, trebuie sa aiba o valoare mica; de regula: . Daca se doreste a masura intensitatii, I, mai mare decat intensitatea maxima pe care aparatul o poate masura, I_A, se monteaza in paralel cu ampermetrul o rezistenta numita sunt, R_S, a carei valoare este data de expresia:

  (2)

In afara de intensitate, curentul electric mai este caracterizat si de marimea fizica vectoriala numita densitate de curent, , al carei modul este egal cu sarcina electrica care trece, in unitatea de timp, prin unitatea de suprafata normala pe directia de curgere a sarcinilor, iar directia si sensul sau coincid cu directia si sensul de deplasare a sarcinilor pozitive (conform conventiei referitoare la sensul curentului). Pentru un curent electric stationar, modulul densitatii de curent este dat de relatia:

(3)

unde S reprezinta sectiunea conductorului. Din aceasta relatie, in general, pentru un curent caracterizat de o densitate de curent constanta:

(4)

In conductori neomogeni densitatea de curent difera de la un punct la altul:

atunci pentru un element de suprafata, , de unde intensitatea curentului prin elementul de suprafata este:

(5)

iar pe intreaga sectiune S a conductorului:

(6)

Daca consideram un element de lungime de conductor, dl, cu sectiunea S, iar q - sarcina purtatorilor presupusi pozitivi a caror concentratie este n. Aplicandu-se o tensiune continua la capetele acestuia, purtatorii de sarcina, sub actiunea campului electric ce apare, se deplaseaza cu o viteza medie numita viteza de drift, figura 1, care caracterizeaza miscarea purtatorilor de sarcina orientata in lungul liniilor de camp electric si care se suprapune peste miscarea haotica datorata agitatiei termice.

In aceasta portiune de conductor, de volum , numarul purtatorilor de sarcina este:

atunci cantitatea de sarcina ce se deplaseaza prin aceasta portiune de conductor in intervalul de timp dt este:

Atunci intensitatea curentului electric care circula prin acest conductor are valoarea:

(7)

de unde densitatea de curent devine:

sau vectorial: 

  (8)

unde este densitatea volumica de sarcina electrica.

Pentru un conductor omogen si izotrop care contine mai multe tipuri de purtatori de sarcina:

(9)