1.Prąd elektryczny – uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych.

Pod wpływem pola elektrycznego (przyłożonego napięcia) w materiałach, w których istnieją ruchliwe nośniki ładunku dochodzi do zjawiska przewodzenia prądu elektrycznego.

Przewodniki i izolatory

Materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny to przewodniki. Oporność właściwa dobrych przewodników jest rzędu od 10⁻⁸ do 10⁻⁶ Ω·m.

Dielektryk (izolator elektryczny) to materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 10⁶ Ω·m.

Półprzewodniki mają oporność właściwą pośrednią między metalami a izolatorami. Ich przewodnictwo zwykle mocno rośnie ze wzrostem temperatury.

Specyficzną formą przewodnictwa jest nadprzewodnictwo – występujący w niektórych materiałach efekt sprawiający, że w odpowiednio niskiej temperaturze ma on zerową rezystancję. W nadprzewodnikach zachodzą również inne zjawiska, na przykład efekt Meissnera. Większość materiałów wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w bardzo niskiej temperaturze.

Gęstość prądu

W ośrodkach ciągłych parametrem najlepiej charakteryzującym prąd elektryczny jest gęstość prądu, opisująca 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.

2.Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

3.Siła Lorentza — siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór podany został po raz pierwszy przez Lorentza i dlatego nazwano go jego imieniem.

Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego (składników pola elektromagnetycznego):

gdzie:

• F – wektor siły (w niutonach),

• q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach),

• E – wektor natężenia pola elektrycznego (w woltach / metr),

• B – pseudowektor indukcji magnetycznej (w teslach),

• v – wektor prędkości cząstki (w metrach na sekundę),

• × – iloczyn wektorowy.

4.Natężenie prądu (nazywane potocznie prądem elektrycznym) - wielkość fizyczna charakteryzująca przepływ prądu elektrycznego zdefiniowaną jako stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu przepływu ładunku^[1].

Definicję tę zapisujemy formalnie jako pochodną ładunku po czasie^[1]:

Gdzie: (jednostki w układzie SI)

– zmiana ładunku równoważna przepływającemu ładunkowi (kulomb),

– czas przepływu ładunku (sekunda),

– natężenie prądu elektrycznego (amper).

Związek z prędkością ruchu ładunków

Natężenie prądu elektrycznego można także wyrazić poprzez wielkości opisujące uporządkowany ruch ładunków elektrycznych:

gdzie:

n - koncentracja nośników prądu wyrażona przez ich liczbę na jednostkę objętości,

q - ładunek każdego z nośników,

v - prędkość nośników ładunków w kierunku prostopadłym do powierzchni S, przez którą płynie prąd o natężeniu I.

Pomiar natężenia prądu

Przyrządy służące do pomiaru natężenia prądu elektrycznego to amperomierze^[2]. Urządzeniem do definicyjnego wyznaczania jednostki jest waga prądowa.

Do kontroli działania mierników oraz ich kalibrowania używa się kalibratorów prądu.

Związek z gęstością prądu

Przepływ prądu w ośrodkach ciągłych (np. plazma) opisuje się podając gęstość prądu. Gęstość prądu określa się jako ilość prądu przepływającego przez jednostkę powierzchni. Między gęstością a natężeniem prądu zachodzi związek:

gdzie (jednostki w układzie SI):

- natężenie prądu w amperach,

j - gęstość prądu w amperach na metr kwadratowy,

S - powierzchnia przez którą płynie prąd w metrach kwadratowych.

Natężenie prądu w obwodzie

Natężenie prądu płynącego w obwodzie elektrycznym zależy od źródła zasilającego ten obwód oraz impedancji obwodu. Źródła dzielą się na prądowe oraz napięciowe. Źródło prądowe to takie, które wymusza przepływ prądu o określonej wartości. Prąd w obwodzie zasilanym źródłem napięciowym zależy od wartości rezystancji zastępczej tego obwodu.

W przypadku wielu typowych obwodów prądu stałego, wartość natężenia płynącego prądu można wyznaczyć posiłkując się prawem Ohma. Podstawowym prawem dotyczącym przepływu prądu (niekoniecznie stałego) w obwodach elektrycznych jest pierwsze prawo Kirchhoffa.

Prąd znamionowy

Prąd znamionowy - jest to prąd, na który zostało zaprojektowane urządzenie przesyłające energię elektryczną lub prąd, jaki przepływa przez urządzenie odbierające energię elektryczną w normalnych warunkach pracy.

Dla wielu urządzeń będących odbiornikami energii elektrycznej natężenie prądu jest wielkością charakterystyczną podawaną często zamiennie z mocą urządzenia, ponieważ grupy urządzeń często projektowane są na określone napięcie znamionowe (np. urządzenia AGD). Dla urządzeń zasilających (baterie, akumulatory, prądnice) oraz przesyłających energię elektryczną (transformatory, zasilacze, kable, prostowniki, układy elektroniczne) prąd znamionowy określa maksymalne natężenie prądu, jakie mogą przenosić te urządzenia bez obawy o ich zniszczenie. Rozróżnia się również maksymalne natężenie prądu mogące płynąć w długim czasie, jak i natężenie mogące płynąć przez krótki czas.

Prąd chwilowy, średni i skuteczny

Oprócz urządzeń projektowanych na prąd stały w życiu codziennym spotyka się często odbiorniki lub źródła prądu przemiennego, tj. takiego, którego wartość można wyrazić wzorem:

gdzie:

i(t) - wartość chwilowa w funkcji czasu t,

- wartość maksymalna, czyli amplituda,

ω - tzw. pulsacja, którą można wyrazić przy pomocy częstotliwości f:   ω   =   2f,

φ - faza początkowa

Wartością średnią I_śr prądu określamy prąd o wartości:

Wartością skuteczną I_sk prądu elektrycznego jest wartość prądu stałego, który przepływając przez rezystor o stałej rezystancji wytworzyłby w tym samym czasie identyczną energię cieplną, co prąd o wartości zmiennej. Można go określić wzorem^[3]:

W przypadku prądu przemiennego, tj. o przebiegu sinusoidalnym, wartość skuteczna wynosi , a wartość średnia jest równa zeru, dlatego wyraża się ją często w odniesieniu do połowy okresu i wynosi

Prąd stały i zmienny

 Osobny artykuł: Prąd stały.

Prąd stały charakteryzuje się stałymi wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Większość układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym. Mogą być zasilane bezpośrednio z baterii lub akumulatorów. Dla urządzeń, które są zasilane z sieci energetycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe.

 Osobny artykuł: Prąd zmienny.

Prąd zmienny to prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie. Prąd zmienny nieokresowy może reprezentować prąd o dowolnej zmienności w czasie (czarna krzywa na rysunku), może też prąd zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub w sposób zdeterminowany zjawiskiem fizycznym. Potocznie termin prąd zmienny stosowany jest często do prądu okresowego o przebiegu sinusoidalnym.

 Osobny artykuł: Prąd przemienny.

Prąd przemienny to 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. Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym.

5.Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Wyraża to wzór

przy czym zakłada się, że przenoszony ładunek jest na tyle mały, iż nie wpływa znacząco na zewnętrzne pole elektryczne^[1].

Napięcie elektryczne można określić znając natężenie pola elektrycznego:

Całkowanie odbywa się pomiędzy punktami A i B^[1], przy czym wartość całki nie zależy od wyboru drogi. Wynika stąd, że napięcie między dwoma punktami może być dodatnie, ujemne, a w szczególnych przypadkach – równe zero.

Napięcie elektryczne otwartego źródła prądu (bez poboru prądu) równe jest sile elektromotorycznej (SEM) tego źródła, co wynika z zależności:

gdzie:

U – napięcie na zaciskach źródła,

ε – siła elektromotoryczna,

R_w – opór wewnętrzny źródła,

I – natężenie prądu pobieranego ze źródła.

Dla otwartego źródła: , zatem

Napięcie w obwodach prądu zmiennego

W obwodach prądu zmiennego napięcie może być opisane przy pomocy kilku pojęć, są to: wartość chwilowa, skuteczna, średnia i maksymalna.

Wartość skuteczną U_sk napięcia elektrycznego okresowego o okresie T określa się wzorem^[3]:

Wartością średnią U_śr napięcia określa się napięcie o wartości:

Dla napięcia przemiennego sinusoidalnego, którego przebieg można opisać wzorem^[4]:

wartość skuteczna napięcia wynosi^[4]:

a wartość średnia równa się^[4]:

gdzie:

u(t) - napięcie chwilowe w funkcji czasu t,

U_max – napięcie maksymalne, równe jego amplitudzie,

U_sk – napięcie skuteczne

U_sr – napięcie średnie

ω – pulsacja,

φ – faza początkowa.

W sieciach niskiego napięcia w Polsce napięcie skuteczne fazowe (mierzone między przewodem fazowym, czyli będącym pod napięciem, a ziemią) wynosi 230 V, zaś międzyfazowe (mierzone między przewodami dwóch faz) 400 V, co odpowiada amplitudom: U_max ≈ 325 V i 563 V. Pomiędzy napięciem fazowym U_f  a międzyfazowym U_p układu 3-fazowego, symetrycznego, gwiazdowego zachodzi następująca zależność ^[5]:

gdzie:

U_p - napięcie międzyfazowe (nazywane też przewodowym lub liniowym od od ang. line-to-line voltage)

U_f - napięcie fazowe.

6.Impedancja, Z – wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu zmiennego.

Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego, charakteryzującego tę zależność w obwodach prądu stałego. Impedancja jest wielkością zespoloną. Część rzeczywista impedancji opisuje opór związany z prądem płynącym w fazie zgodnej z przyłożonym napięciem, część urojona – z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego.

Związek z napięciem i natężeniem

W opisie z użyciem funkcji zespolonych napięcie elektryczne przemienne przedstawia się z użyciem funkcji wykładniczej o argumencie i wartości będącej liczbami zespolonymi. Impedancja jest równa ilorazowi napięcia i natężenia prądu:

Przykładowo napięcie można przedstawić jako:^[1]:

Pod wpływem napięcia w obwodzie płynie prąd, którego natężenie:

gdzie:

• u₀ oraz i₀ są amplitudami zespolonymi odpowiednio napięcia i prądu,

• jest przesunięciem fazowym między napięciem a natężeniem prądu.

Impedancja wiąże się z tymi wielkościami:

Impedancja na płaszczyźnie zespolone

Moduł impedancji, zwany również zawadą, wyrażony jest wzorem

Część rzeczywista i urojona

Użycie funkcji zespolonych umożliwia pominięcie części oscylacyjnej funkcji. Z tego względu, że przesuniecie fazowe φ zależy też od częstotliwości, w ogólności zapisuje się impedancję jako wielkość zależną od częstości kołowej:

Część rzeczywistą impedancji R nazywa się rezystancją lub oporem czynnym, odpowiada ona za prąd płynący w fazie z napięciem i moc czynną urządzenia. Część urojoną impedancji nazywa się reaktancją lub oporem biernym, odpowiada za prąd przesunięty względem napięcia o ±90° i moc bierną. Faza impedancji φ ma sens fizyczny przesunięcia fazowego między przyłożonym napięciem a płynącym prądem.

Impedancja idealnego rezystora

Impedancja idealnego rezystora jest rzeczywista (ma zerową część urojoną)

O impedancji będącej liczbą rzeczywistą mówi się, że ma charakter rezystywny lub czynny.

Impedancja kondensatora

Impedancja idealnego kondensatora jest urojona (ma zerową część rzeczywistą) i wyraża się przez

Jeżeli reaktancja X jest ujemna, wtedy nazywa się ją kapacytancją, a o impedancji mówi, że ma charakter pojemnościowy.

Impedancja indukcyjności

Impedancja idealnej indukcyjności jest urojona (ma zerową część rzeczywistą) i wyraża się przez

Jeżeli reaktancja X jest dodatnia, nazywa się ją wtedy induktancją, a o impedancji mówi, że ma charakter indukcyjny.

Łączenie impedancji

Szeregowe połączenie impedancji

Przy obliczaniu impedancji zastępczych postępuje się podobnie jak przy łączeniu rezystorów.

Jeżeli łączone są szeregowo elementy o impedancjach Z₁ ... Z_n, impedancja zastępcza ma wartość:

Równoległe połączenie impedancji

Jeżeli łączone są równolegle elementy o impedancjach Z₁ ... Z_n, to impedancja zastępczą określa wzór:

Zastosowanie

Pojęcie impedancji ma duże znaczenie w fizyce, do analizy właściwości elektrycznych materiałów (spektroskopia impedancyjna). W elektrotechnice i elektronice jest używana przy analizie obwodów prądu przemiennego. Przykładem może być analiza obwodów rezonansowych

7.Praca i moc prądu

Przepływ prądu w obwodzie elektrycznym związany jest z wykonywaniem pracy przez pole elektryczne.

Praca prądu zamieniana jest w obwodzie elektrycznym na odpowiedni rodzaj energii (ciepło, promieniowanie itp.).

• Pracę obliczamy za pomocą następujących wzorów:

W = U* I * t

W = I²*R* t



Jednostką pracy prądu jest dżul [J]. Korzystając z podanego wzoru, możemy wyrazić jednostkę pracy za pomocą jednostek wielkości elektrycznych:

[J = V*A*s].

W praktyce używa się także jednostki pracy zwanej kilowatogodziną [kWh].

1 kWh = 3 600 000 J

• Moc urządzeń elektrycznych jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez dane urządzenie do czasu, w którym ta praca została wykonana.

P =

Moc prądu możemy obliczać z następujących wzorów:

P = U *I

P = I²* R

P =

Jednostką mocy urządzeń elektrycznych jest wat [W= VּA].

Moc czynna (P) – w układach prądu przemiennego (również prądu zmiennego) część mocy, którą odbiornik pobiera ze źródła i zamienia na pracę lub ciepło. W układach prądu stałego cała moc jest mocą czynną. Jednostką mocy czynnej jest wat.

Moc czynna jest średnią mocą, co dla przebiegu okresowego prądu i napięcia wyraża wzór:

gdzie:

P – moc czynna

t – czas

T – okres

u – napięcie chwilowe

i – natężenie prądu chwilowe

8.Opornik, rezystor (z łac. resistere, stawiać opór) – najprostszy element bierny obwodu elektrycznego, wykorzystywany jest do ograniczenia prądu w nim płynącego. Jest elementem liniowym: występujący na nim spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Idealny opornik posiada tylko jedną wielkość, która go charakteryzuje – rezystancję. W praktyce występuje jeszcze pojemność wewnętrzna oraz wewnętrzna indukcyjność,

Połączenie szeregowe

W połączeniu szeregowym rezystancja zastępcza jest sumą poszczególnych wartości:

Połączenie równoległe

W połączeniu równoległym odwrotność rezystancji zastępczej jest sumą odwrotności poszczególnych wartości:

Dla dwóch rezystorów wzór upraszcza się do postaci:

Podstawowe parametry opisujące opornik to:

• rezystancja nominalna

• tolerancja

• moc znamionowa

• napięcie graniczne

• temperaturowy współczynnik rezystancji

9.CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO- -NAPIĘCIOWA

- zależność natężenia prądu płynącego przez element obwodu elektrycznego od napięcia (różnicy potencjałów) przyłożonego na jego końce I = I(U) lub zależność spadku napięcia na zaciskach tego elementu od natężenia płynącego przezeń prądu U = U(I). Jeśli zależności te mają postać U = R I lub I = GU, to element obwodu jest elementem liniowym albo omowym i jest opisany przez → prawo Ohma. Współczynnik R nazywa się oporem elektrycznym (rezystancją) elementu, a jego odwrotność jest przewodnością (konduktancją) elementu.

Jeśli zależności U = f(I) i I = g(U) nie są zależnościami liniowymi, wtedy współczynniki R i G nie są stałymi i zależą od przyłożonego do elementu napięcia. Taki element obwodu elektrycznego nazywa się nieomowym (nieliniowym), a jego ch.p.-n. - charakterystyką nieliniową.
- przewodność elektryczna mierzona w simensach [S];
- opór elektryczny mierzony w omach [Ω].
Dla elementów nieliniowych określa się opór różniczkowy lub przewodność różniczkową, ponieważ zarówno R, jak i G są funkcjami napięcia lub natężenia prądu. i
Tak zdefiniowane wielkości R i G mogą przybierać wartości ujemne.