Prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunku elektrycznego. W praktyce najczęściej będziemy mieli do czynienia z przepływem prądu elektrycznego w metalach. Wszystkie metale przewodzą prąd elektryczny. Nośnikami ładunku biorącymi udział w przepływie prądu przez metale (które często utożsamiamy z przewodnikami) są swobodne elektrony.

W cieczach i gazach nośnikami ładunku elektrycznego biorącymi udział w przepływie prądu elektrycznego są zarówno jony, jak i elektrony. Ponadto, w półprzewodnikach są nimi elektrony, ale także tzw. dziury elektronowe, które traktujemy jako ładunki dodatnie.

Wielkością fizyczną ilościowo opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu :

Gdzie  to ładunek przepływający przez przekrój poprzeczny przewodnika w wybranym miejscu, a  to czas, w którym ten ładunek przepływa. Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper . Amper jest jedną z podstawowych jednostek w układzie SI.

Prądem stałym nazywamy taki prąd, którego natężenie nie zmienia się w czasie.

Prąd pomiędzy dwoma punktami (np. przewodnika) płynie wtedy, gdy występuje pomiędzy nimi niezerowe napięcie, czyli różnica potencjałów. Oznacza to tym samym, że we wnętrzu takiego przewodnika pomiędzy rozważanymi punktami istnieje pole elektryczne. Przyczyną przepływu prądu elektrycznego jest zatem pole elektryczne. Ładunki dodatnie przemieszczają się zgodnie ze zwrotem linii pola elektrycznego, a ujemne przeciwnie.

Stwierdziliśmy już, że nośnikami ładunku elektrycznego biorącymi udział w przepływie prądu elektrycznego w przewodnikach (metalach) są ujemnie naładowane elektrony. W rzeczywistości ich ruch można potraktować jako złożenie dwóch rodzajów ruchu:

• Ruch uporządkowany – ruch wynikający z przyłożonego napięcia, średnio wszystkie elektrony przemieszczają się w jednym kierunku. Ruch ten nazywany jest dryfem elektronów, jest stosunkowo powolny (prędkość rzędu ).
• Ruch chaotyczny – elektrony ciągle zderzają się ze sobą oraz z jonami sieci krystalicznej metalu, prędkość elektronów w tym ruchu można oszacować wykorzystując wzór znany z termodynamiki . Okazuje się, że jest ona znacznie większa niż prędkość dryfu (rzędu ).

Umownie przyjmujemy, że prąd płynie z punktów o wyższym potencjale do punktów o niższym potencjale (tak jak przemieszczałyby się dodatnie nośniki ładunku). Oznacza to, że prąd płynie zgodnie ze zwrotem linii pola elektrycznego. W przypadku obwodu zasilanego źródłem napięcia można to ująć następująco: prąd płynie od dodatniego bieguna źródła napięcia do bieguna ujemnego (od „plusa” do „minusa”). Zauważmy, że jeśli rozpatrujemy przepływ prądu w przewodnikach, to kierunek ten jest przeciwny do rzeczywistego ruchu elektronów – te poruszają się bowiem od bieguna ujemnego do dodatniego.

Przykład:

Koncentracja swobodnych elektronów w srebrze wynosi ok. . Rozpatrzmy przewodnik ze srebra o powierzchni przekroju poprzecznego , przez który płynie prąd o natężeniu . Oblicz prędkość dryfu elektronów w tym przewodniku.

Rozwiązanie:

W pierwszej kolejności obliczmy ile swobodnych elektronów znajduje się w 1 m tego przewodnika. Jego objętość jest równa: . Z tego wynika, że znajduje się w nim następująca liczba swobodnych elektronów:

Wartość bezwzględna ich ładunku jest równa:

Ze wzoru na natężenie prądu możemy obliczyć w jakim czasie taki ładunek przepływa przez przewodnik:

Prędkość dryfu elektronów możemy obliczyć, ponieważ wiemy, że każdy elektron pokona drogę równą długości przewodnika  w czasie :

Zadania do zrobienia:

1. Na wykresie poniżej przedstawiona jest zależność . Oblicz, jaki ładunek przepłynie przez przewodnik w czasie .

Odp.:

2. Oblicz ile czasu minie zanim przez żarówkę przepłynie  elektronów, zakładając, że płynie przez nią prąd o natężeniu .

Odp.:

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-prad-elektryczny-staly-1