Плотность электрического тока — это… Что такое Плотность электрического тока?

Содержание

  1. Чем определяется плотность тока
  2. Использование плотности тока на практике
  3. Введение
  4. Определения
  5. Электрический ток
  6. Вектор или скаляр?
  7. Плотность тока в электротехнике и электронике
  8. Измерение плотности тока

Чем определяется плотность тока

Понятие плотности тока определяется количеством электричества, протекающим через сечение проводника в течение одной секунды. Направление электротока является перпендикулярным сечению проводника.

Если взять однородный проводник цилиндрической формы, в котором ток имеет равномерное распределение по всему сечению, то его плотность будет выражаться в виде формулы: J = I / S, где I является силой тока, а S – площадью поперечного сечения. Единицей измерения этой величины служит А/м2 (ампер на метр квадратный). Данная величина является векторной. Ее направление совпадает с направлением напряженности электрического поля.

Использование плотности тока на практике

Очень часто возникает вопрос о возможности использования конкретного провода для тех или иных целей. То есть, способен ли он выдержать определенную нагрузку. В этих случаях, очень важно определить плотность электротока с допустимой величиной.

Данный показатель очень важен, поскольку в каждом проводнике возникает сопротивление току, протекающему через него. Происходят потери тока, из-за чего проводник начинает нагреваться. При слишком больших потерях, наступает критическое нагревание, вызывающее расплавление проводника. Чтобы исключить подобные ситуации, каждому прибору или потребителю устанавливается наиболее оптимальная плотность тока, формула которой позволит рассчитать нужное сечение провода.

Когда возникает необходимость выбрать нужное сечение провода или кабеля, необходимо учитывать допустимое значение плотности электротока. Для практических расчетов во время проектирования используются специальные таблицы и формулы, позволяющие получить желаемый результат.

Для разных металлов существуют различные значения плотности. В настоящее время используются только медные провода, в которых плотность электротока не должна превышать 6-10 А/мм2. Это особенно актуально для долговременной эксплуатации, когда проводке обеспечивается облегченный режим. Допускается эксплуатация и при повышенных нагрузках, только на очень короткое время.

Введение

Заряды, помещенные в электростатическое поле с разностью потенциалов приходят в движение. Это движение называется электрическим током, который определяется как направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц через любое поперечное сечение проводящей среды. Величина этого тока зависит от сопротивления проводящей среды этому движению зарядов, которое, в свою очередь, зависит от поперечного сечения проводника.

Следует отметить, что в электротехнике основные физические величины, то есть единица измерения силы электрического тока ампер и единица измерения электрического заряда кулон часто бывают связаны между собой с помощью единицы длины — метра. И это неспроста. Заряд, который протекает через поперечное сечение проводящей среды, часто бывает распределен неравномерно.

Поэтому вполне естественно было бы определять поток заряженных частиц через единичное поперечное сечения или единичную длину, иными словами определять плотность тока. В этой статье мы сравним электрический ток и плотность тока, а также рассмотрим важность достижения, поддержания и измерения необходимой плотности тока в различных областях электротехники и электронной техники.

Определения

Электрический ток

Электрический ток I определяется как направленное движение электрических зарядов вдоль линии (например, тонкого провода), по поверхности (например, по листу проводящего материала) или в объеме (например, в электронной или газоразрядной лампе). В СИ единицей измерения электрического тока является ампер, определяемый как поток электрических зарядов через поперечное сечение проводника со скоростью один кулон в секунду.

Плотность тока (называемая также объемной плотностью тока) представляет собой векторное поле в трехмерном проводящем пространстве. В каждой точке такого пространства плотность тока представляет собой полный поток электрических зарядов в единицу времени, проходящий через единичное поперечное сечение.

Например, если по мощной шине электрической подстанции с поперечным сечением 3 х 33,3 мм = 100 мм² = 0,0001 м² течет ток 50 ампер, то плотность тока в таком проводнике будет составлять 500 000 А/м².

Иногда в электронных устройствах ток течет через очень тонкую пленку металла или тонкий слой металла, имеющий переменную толщину. В таких случаях исследователей и конструкторов интересуют только ширина, а не общее поперечное сечение таких очень тонких проводников. В этом случае они измеряют линейную плотность тока — векторная величину, равную пределу произведения плотности тока проводимости, протекающего в тонком слое у поверхности тела, на толщину этого слоя, когда последняя стремится к нулю (это определение по ГОСТ 19880-74).

В Международной системе единиц (СИ) линейная плотность тока измеряется в амперах на метр и в системе СГС в эрстедах. 1 эрстед равен напряжённости магнитного поля в вакууме при индукции 1 гаусс. Иначе линейную плотность тока определяют как ток, приходящийся на единицу длины в направлении, перпендикулярном току.

Например, если ток величиной 100 мА течет в тонком проводнике шириной 1 мм, то линейная плотность тока равна 0,0001 A : 0,001 m = 10 ампер на метр (А/м). Линейная плотность тока обозначается векторным символом А.

Линейная плотность тока тесно связана с понятием поверхностной плотности тока , которая определяется как сила электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводящей среды единичной площади и обозначается векторным символом K. Как и линейная плотность тока, поверхностная плотность тока также является векторной величиной, модуль которой представляет собой электрический ток через поперечное сечение проводящей среды в данном месте, а направление перпендикулярно к площади поперечного сечения проводника.

Вектор или скаляр?

Отметим, что в отличие от векторной плотности тока, сам ток является скалярной величиной. Это можно объяснить тем фактом, что ток определяется как количество зарядов, перемещающихся в единицу времени; поэтому было бы нецелесообразно добавлять направление к величине, представляющей количество в единицу времени.

В то же время, плотность тока рассматривается в объеме с множеством поперечных сечений, через которые проходит ток, поэтому имеет смысл определять плотность тока как вектор или как векторное пространство. Можно также отметить, что плотность тока является вектором в связи с тем, что это произведение плотности заряда на скорость его перемещения в любом месте пространства.

Плотность тока в электротехнике и электронике

Высокая линейная плотность тока в проводах приводит к неприятным последствиям. Все проводники электрического тока имеют конечное сопротивление, из-за которого при протекании тока они нагреваются и рассеивают энергию в форме тепла. В связи с этим плотность тока должна поддерживаться невысокой, чтобы проводник при эксплуатации не нагревался выше допустимой температуры и, тем более, не расплавлялся.

Микропроцессор Pentium P54CS содержит 3,3 миллиона транзисторов на кристалле площадью 90 кв. миллиметров или около 40 тысяч транзисторов на квадратный миллиметр

Линейная плотность тока широко используется при расчете и конструировании электронных и электрических систем. Она важна, например, при расчете интегральных микросхем, плотность элементов которых (количество элементов на единицу объема) постоянно повышается. Несмотря на то, что каждый элемент потребляет весьма малые токи, плотности тока в микросхеме могут быть очень высокими для достижения максимально возможного количества элементов в одной микросхеме.

На заре развития микроэлектроники количество элементов в интегральных схемах удваивалось каждый год. Сейчас (в 2016 году) оно удваивается приблизительно раз в два года. Эта закономерность называется Законом Мура по имени одного из основателей Intel, который в 1965 году пришел к выводу об экспоненциальном росте производительности вычислительных устройств и сделал соответствующий прогноз на ближайшие десять лет. Позже, в 1975 году, Мур пересмотрел свой прогноз и предсказал, что производительность микропроцессоров будет удваиваться каждые два года.

Например, в выпущенном в 1971 году четырехбитном микропроцессоре Intel 4004 было всего 2300 транзисторов на кристалле площадью 3х4 мм или 12 кв. мм, что составляло всего около 200 транзисторов на квадратный миллиметр. Для сравнения, в выпущенном в 2013 году 12-ядерном микропроцессоре Power8 4,2 миллиарда транзисторов располагаются на кристалле размером 650 кв. мм.

Катушки магнитных антенн радиовещательных приемников средневолнового и длинноволнового диапазонов обычно наматывают литцендратом в шелковой или иной изоляции для уменьшения потерь, связанных со скин-эффектом

На переменном токе, особенно на высоких частотах, проводящая зона проводов находится только в их поверхностном слое, в результате чего увеличивается плотность тока в проводах, что приводит к потерям энергии на нагрев или даже на расплавление провода. Это явление уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводника называется скин-эффектом или поверхностным эффектом.

Для уменьшения потерь на высоких частотах проводники покрывают серебром или золотом — материалами с малым удельным сопротивлением. Также часто вместо одного толстого провода используют несколько (от трех до тысячи и более) изолированных тонких проводов (литцендрат). В частности, именно литцендратом наматывают катушки индуктивности в индукционных печах.

При высоких плотностях тока происходит реальное перемещение материалов в соединениях, называемое электромиграцией . Такое перемещение вызвано дрейфом ионов материла, возникающем вследствие обмена количеством движения при столкновениях между носителями проводимости и атомной решеткой проводника. Эффект электромиграции играет существенную роль в тех случаях, когда токи имеют большую плотность, например, все в той же микроэлектронике, о которой говорилось выше.

Чем большая достигнута плотность больших интегральных микросхем, тем более заметен этот эффект. В результате электромиграции может произойти как полное разрушение проводника, так и возникнуть новый проводник там, где его не должно быть, то есть происходит короткое замыкание. Таким образом, повышенная плотность тока приводит к уменьшению надежности интегральных схем.

Термин «плотность тока» или, более конкретно, поверхностная плотность тока в мА/см², вырабатываемая единичной площадью фотоэлемента солнечной батареи, часто используется в описании характеристик солнечных батарей. Плотность тока короткого замыкания фотоэлемента является важной характеристикой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Такой подход полезен для сравнения солнечных батарей различных изготовителей. В то время, как напряжение солнечной батареи определяется количеством индивидуальных фотоэлементов, ток, отдаваемый батареей, зависит главным образом от площади поверхности батареи, освещаемой солнечным светом, и эффективности фотоэлементов.

Фотоэлементы часто выпускаются размером 100×100 мм = 100 см² и позволяют получить ток 3,5 А или плотность тока 3,5 : 100 = 35 мА/см² от каждого фотоэлемента. Отметим, что определение поверхностной плотности тока в фотоэлементах отличается от приведенного выше определения поверхностной плотности тока.

Хромированная душевая головка; поверхность пластмассы вначале покрывается в гальванической ванне слоем меди, затем никеля и последним наносится слой хрома

Плотность тока является одной из основных характеристик, определяющих качество изделий с гальваническим покрытием хромом и другими металлами. При хромировании на изделие из металла или пластмассы наносится тонкий слой хрома, который обладает декоративными свойствами и высокой стойкостью к коррозии. Хромирование используется также для увеличения твердости и износостойкости поверхностей и для уменьшения трения и повышения стойкости к коррозии в парах трения, работающих в жестких условиях. Также хромирование применяется для наращивания изношенных поверхностей деталей с целью восстановления их исходных размеров.

Для использования в автомобильной промышленности на стальные изделия наносят несколько гальванических покрытий, которые обеспечивают стойкость деталей к изменениям температуры и влажности при эксплуатации на открытом воздухе. Обычно используется тройное покрытие: первый слой меди, затем никель и, наконец, хром.

Измерение плотности тока

Гальваническая ванна, в которой наносятся покрытия металлами — как раз то место, где необходимо измерять плотность тока в жидкой проводящей среде — электролите в гальванической ванне. При этом необходимо рассчитать или измерить площадь поверхности покрываемой металлом детали, а также измерить ток, протекающий в ванне от анода к детали.

Выпускаются приборы, позволяющие непосредственно измерить плотность тока в любой точке ванны. Они позволяют работникам гальванического цеха точно измерить как идет процесс покрытия металлом в каждой точки изделия. Измеритель плотности тока электролита чаще всего состоит из датчика с маленькой тороидальной катушкой и измерительного блока с дисплеем, который измеряет ток, индуцированный в катушке током в электролите внутри нее.

Еще одним примером измерения плотности тока являются солнечные батареи. Обычно плотности токов короткого замыкания распределены неравномерно по поверхности фотоэлементов. Различия в плотностях тока могут быть обусловлены различными сроками существования носителей в фотоэлементе, различными расстояниями до выводов и другими факторами.

Исследователям интересно получить карту распределения плотностей токов по всей площади фотоэлемента. Для измерения плотности тока фотоэлемент освещают очень узким потоком электронов или лучом света, который сканирует поверхность фотоэлемента. При этом регистрируется возникающий фототок. Таким образом создается карта плотностей тока, которую в дальнейшем можно использовать для оптимизации устройства.

Автор статьи: Анатолий Золотков

Рейтинг
( Пока оценок нет )