Плотность тока: что это такое, формула, единица измерения

Что называют плотностью тока

Плотность тока — физическая величина, определяющая количество носителей электрического заряда в конкретной точке. Это векторная величина, так как она прямо пропорциональна концентрации носителей заряда и их скорости, а скорость является направленной (векторной) величиной).

Плотность электрического тока обозначается латинской буквой j. Также допускается обозначение заглавной буквой J. Ранняя плотность обозначалась греческой буквой дельта δ.

Плотность электрического тока измеряется в Кл/кв.м/с или А/кв.м. Обе единицы аналогичны, но наиболее широкое распространение в электротехнике получила единица измерения плотности ампер на квадратный метр.

На практике обычно используется не квадратный метр, а меньшая величина — миллиметр (А/кв.мм). Единицы измерения электрического заряда и силы электрического тока связаны уравнением 1 Кл = 1 А * 1 с.

Определение допустимого тока

Все проводники нагреваются под действием тока. Чрезмерное повышение температуры провоцирует механическое разрушение конструкции, в том числе защитных и декоративных оболочек. В целях поддержания работоспособности трассы используется понятие «длительный допустимый ток».

Справочные значения для электропроводки медными и алюминиевыми жилами приведены в правилах ПУЭ и отраслевых ГОСТах.

Таблица допустимых токовых нагрузок

медь	поливинил хлорид	1,5	23	установка в открытый лоток
медь	резина + свинец	1,5	33	в земле, двухжильный кабель
алюминий	поливинил хлорид	2,5	24	открытая доска
алюминий	полимер	2,5	29	в земле, трехжильный кабель
медь	пластик, резина	2,5	40	подвижная конструкция, одножильный кабель

Для точного расчета специалисты используют формулу теплового баланса, которая содержит:

• электрическое сопротивление проводника измерителя при определенной температуре;
• поправочные коэффициенты для учета передачи тепла в окружающее пространство посредством конвекции, инфракрасного излучения;
• отопление от внешних источников.

Отвод тепловой энергии улучшается при укладке стекла в землю (под воду). Условия хуже, когда несколько кабелей находятся в одном канале.

К вашему сведению. Иногда используется аналог расчета мощности с учетом неразрушающего уровня нагрева.

Допустимая плотность тока для медного провода

Датчик движения своими руками

При создании сетей в современных объектах недвижимости предпочитают использовать именно таких управляющих. При одинаковом сечении они меньше перегреваются, чем их алюминиевые аналоги. В многожильных конструкциях медные кабели хорошо подходят для изготовления сетевых патч-кабелей, удлинителей. С их помощью можно делать повороты с малыми радиусами.

Тепловой нагрев

Для расчета количества тепла (Q), выделяемого проводником, используйте формулу I*2*R*t, где:

• I — сила тока, в амперах;
• R — сопротивление одного метра медной жилы;
• t — время испытания при определенных условиях.

Рассеивание тепла при работе кабеля

Тонкие проводники эффективно передают тепловую энергию в окружающую среду. На процесс существенное влияние оказывают конкретные условия. Как было сказано выше, контакт корпуса с водой значительно улучшает охлаждение.

По мере увеличения поперечного сечения часть энергии расходуется на нагрев соседних слоев. Этим объясняется постепенное снижение разрешенной плотности тока на единицу площади.

Распределение температуры в кабельной продукции

На рисунке хорошо видно, как улучшается теплопередача при уменьшении изоляционного слоя.

Падение напряжения

Этот параметр легко рассчитать по закону Ома (U=R*I) с учетом электрического сопротивления соответствующего материала. Удельное значение для меди принято равным 0,0175 Ом*мм кв/метр. По формулам рассчитывают падение напряжения на участке определенной длины. При сечении 1,5 мм квадратного на каждый метр потери составят 0,01117 вольт.

Допустимая плотность тока

Этот относительный параметр показывает разрешенный нормами ток на квадратный миллиметр площади сечения. Отмеченные выше тенденции изменения теплоотдачи с увеличением размера проводника подтверждаются расчетами и данными лабораторных испытаний.

Таблица допустимых значений плотности тока для разных условий в медном проводнике

	Для маршрута в здании	Наружная установка
6	73/12.2	76/12,6
10	103/10,3	108/10,8
25	165/6,6	205/8,2
50	265/5,3	335/6,7

Пути повышения допустимого тока

Определяющими являются фактические условия эксплуатации трассы электроснабжения, трансформаторов, установок. Рассмотренные нагрузки можно уменьшить за счет хорошей вентиляции, естественной или принудительной.

Хороший отвод тепла будет достигнут при использовании перфорированных металлических каналов, которые не препятствуют прохождению конвекционных потоков и при этом выполняют функции радиатора.

В некоторых ситуациях будет полезен хорошо составленный график. Стиральная машина потребляет много электроэнергии при нагреве воды и в режиме сушки. Его можно настроить на автоматическое выполнение рабочих операций в ночное время.

Если организации-поставщики предложат надлежащее выставление счетов, это приведет к дополнительной экономии средств.

Вентилятор обеспечивает эффективное охлаждение проводников, установленных в микроволновой печи

Допустимый ток и сечение проводов

Наилучшие показатели теплоотдачи при прочих равных характерны для проводников с относительно меньшей площадью поперечного сечения.

Таблица параметров тока для кабелей с медными жилами

1	15	15
1,5	13.3	20
2,5	10,8	27
16	5.7	92
25	4.9	123

Чем отличается плотность от силы тока

Сила и плотность тока являются связанными величинами. Сила тока по определению есть протекание вектора плотности тока через заданную неподвижную поверхность (в частном случае через поперечное сечение проводника).

Термины электрический ток, сила и плотность электрического тока используются в теоретических и практических разделах физики, но, как правило, в электротехнике удобнее использовать силу электрического тока, а при анализе движения электрического заряда носители — плотность электрического тока (линейная плотность тока).

Следует отметить, что существует большое количество типов приборов, позволяющих определить силу электрического тока, при этом непосредственно измерить плотность невозможно, поэтому это чисто теоретическая (расчетная) величина.

Виды электротока, условия протекания

Частицы, несущие заряд, могут двигаться хаотично по толщине проводника или целенаправленно двигаться в определенном направлении. Во втором случае говорят о наличии электрического тока. Основной характеристикой является наличие вектора смещения. Текущий вектор движения идентичен направлению заряженных частиц.

Хаотическое и направленное движение заряженных частиц

Важно! Текущий путь может быть постоянным или переменным. В первом случае поток частиц движется четко в одном направлении по прямой, без пульсаций и возмущений. Во втором имеют место синусоидальные колебания с определенной частотой. Для преобразования (выпрямления) переменного тока используются специальные устройства.

В общем случае для существования постоянного тока требуется, чтобы с одного конца проводящего элемента все время был избыток отрицательно заряженных частиц, а с другого — дефицит. Также требуется сила, которая будет перемещать эти заряды.

Переменный ток, в отличие от постоянного, не требует соблюдения полярности. В отличие от постоянной, имеет частоту — так называют количество изменений направления движения частиц в единицу времени. В стандартной бытовой сети количество таких переключений равно 50 в секунду.

Различные устройства с питанием от аккумуляторных элементов и аккумуляторов, а также бытовая техника, ноутбуки, стационарные компьютеры используют постоянный ток. Сам аккумулятор является генератором постоянного тока, но его можно преобразовать в переменный с помощью специальных устройств.

Ток, вызванный электрическим полем, называется током проводимости. Элементарные частицы, несущие заряд, различны в разных типах проводящих материалов. В случае металлических элементов это свободные электроны, в некоторых полупроводниковых материалах они целенаправленно перемещают ионы.

В электролитах (в том числе используемых в аккумуляторах) ионы с положительным и отрицательным зарядом движутся в разных направлениях. Последнее характерно для всех проводников, являющихся жидкостями.

В электрическом конвекционном токе электроны движутся под действием инерции. Другой вид тока протекает в условиях вакуума (это явление используется в электронных лампочках). Основными характеристиками электрического тока являются его сила и плотность тока.

Читайте также: Плавкие предохранители: принцип действия, устройство, виды, назначение

Физический смысл

В физическом понятии плотность тока есть мера силы тока, протекающего через единицу площади поперечного сечения проводника. Простейшая аналогия для понимания концепции плотности тока — водопровод. Представим, что часть водопровода из точки А в точку Б состоит из труб разного сечения.

Так как в каждый момент времени по трубопроводу протекает одинаковое количество жидкости, то чем меньше диаметр трубы, соответственно сечение, тем больше воды проходит через узел милосердия.

Соответственно можно рассматривать электрическую цепь, которая состоит из проводников разного сечения. Так как электрический ток в цепи имеет одинаковую величину, через участки малого и большого сечения в единицу времени проходит равное количество носителей заряда. Поэтому в более тонком проводнике на единицу площади приходится большее количество носителей.

Связь с законом Ома

Как упоминалось выше, закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению. Это просто частный случай. Для большей полноты необходимо рассмотреть закон Ома в дифференциальной форме. Здесь она напрямую связана с плотностью тока:

Особенности

Поскольку подвижные электрические заряды могут возникать не только в проводящей среде, термин плотность электрического тока используется и в ряде других случаев.

Плотность тока насыщения

Принцип действия электровакуумных и газоразрядных приборов (электронных ламп, рентгеновских трубок, электронных микроскопов) основан на движении электронов в вакууме или газе. В связи с этим плотность тока характеризует излучательную способность катода, т е его способность испускать электроны в нагретом состоянии.

Высокая частота

Если рассматривается не постоянный ток, а переменный, следует учитывать скин-эффект. Суть эффекта заключается в том, что высокочастотный электрический переменный ток распределяется не равномерно по сечению проводника, а преимущественно во внешнем (поверхностном) слое.

При этом чем выше частота, тем тоньше слой, через который происходит распространение носителей электрического заряда.

Таким образом, если рассматривать проводники одного сечения при работе на постоянном токе или высокой частоте, то во втором случае плотность электрического тока будет тем больше, чем выше частота, так как только тонкий поверхностный слой проводника будет использоваться для передачи электрического тока.

В связи с этим высокочастотные элементы электрических цепей покрывают металлом с низким электрическим сопротивлением — серебром.

Простое объяснение

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

Высокая плотность тока вызывает нагрев кабеля. Поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не превысить допустимый ток в проводе 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 упоминалось выше, плотность тока J описывает связь между электрическим током и площадью, через которую он протекает, то есть: J = I / S. Здесь J — плотность тока, I — сила тока, S — площадь поперечного сечения.

Единица измерения – ампер на квадратный метр соответственно, то есть Дж = А/м2 .

Но часто плотность тока дается и в амперах на квадратный миллиметр (А/мм2), так как сечения обычных проводников (проводов, кабелей) имеют именно этот порядок.

Пример расчёта

В общем случае для расчета плотности тока учитывают геометрические характеристики кабеля. На их основе можно сначала рассчитать площадь сечения, а затем уже при известном токе плотность тока.

Медный провод

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

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

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

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

Токопроводящие дорожки

В отличие от кабеля, часть токопроводящей дорожки не круглая, а прямоугольная. Здесь мы рассматриваем медный токопроводящий рельс шириной 0,5 мм и толщиной 0,035 мм.

Вычислить прямоугольную площадь поперечного сечения токопроводящей дорожки можно, 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, когда необходимо оптимизировать поперечное сечение проводника по соображениям стоимости, площади и веса. Как правило, поперечное сечение проводника выбирают как можно меньшим в зависимости от 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.

Когда через это сопротивление протекает электрический ток, происходит падение напряжения. В результате происходит преобразование энергии и проволока нагревается. Чрезмерное тепло может повредить изоляцию проводника и привести к серьезным травмам.

Поэтому, например, допустимые плотности тока для жилых установок регламентируются соответствующими стандартами. Кроме того, все кабели в домах снабжены предохранителем, который срабатывает до того, как будет достигнута максимально допустимая плотность электрического тока.

В автомобильной промышленности важную роль играют вес и экономия пространства. Таким образом, здесь также тщательно отбираются кабели, чтобы найти компромисс между теплотой и весом/пространством.