Dòng điện

Trong điện học và điện từ học, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Vì đại lượng đặc trưng cho dòng điện là cường độ dòng điện, từ "dòng điện" thường được hiểu là cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian. Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Đức Intensität, nghĩa là cường độ. Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe.
I = \frac{Q}{t}=(q_1 + q_2 + q_3 +...+ q_n)/t
Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét.
I_{tb} = {\Delta Q \over \Delta t}
Trong đó,
I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe)
ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb)
Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây)
Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời:
I = {dQ \over dt}
Dòng điện quy ước
Dòng điện quy ước, vì lý do lịch sử, là dòng chuyển động tương đương của các điện tích dương. Nó được đưa ra để thống nhất quy ước về chiều dòng điện (chiều chuyển động của các điện tích dương) trong các trường hợp phức tạp như:
Trong kim loại, thực tế các proton (tích điện dương) chỉ có các dao động tại chỗ, còn các electron (tích điện âm) chuyển động. Chiều chuyển động của electron, do đó, ngược với chiều dòng điện quy ước.
Trong một số môi trường dẫn điện (ví dụ trong dung dịch điện phân, plasma,...), các hạt tích điện trái dấu (ví dụ các ion âm và dương) có thể chuyển động cùng lúc, ngược chiều nhau.
Trong bán dẫn loại p, mặc dù các electron thực sự chuyển động, dòng điện được miêu tả như là chuyển động của các hố điện tử tích điện dương.
Đo dòng điện
Cường độ dòng điện có thể được đo trực tiếp bằng Gavanô kế, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải mở mạch điện ra để lắp thêm ampe kế vào.
Cường độ dòng điện có thể được đo mà không cần mở mạch điện ra, bằng việc đo từ trường sinh ra bởi dòng điện. Các thiết bị đo kiểu này gồm các đầu dò hiệu ứng Hall, các kẹp dòng và các cuộn Rogowski.
Tốc độ dòng điện
Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn lẻ trong dòng chảy này không nhất thiết chuyển động thẳng theo dòng. Ví dụ như trong kim loại, electron chuyển động zigzag, va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử kia; chỉ nhìn trên tổng thể mới thấy xu hướng chung là chúng bị dịch chuyển theo chiều của điện trường.
Tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức: I=nAvQ với
I là cường độ dòng điện.
n là số hạt tích điện trong một đơn vị thể tích.
A là diện tích mặt cắt của dây dẫn điện.
v là tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt tích điện.
Q là điện tích của một hạt tích điện.
Ví dụ, một dây đồng với diện tích mặt cắt bằng 0.5 mm2, mang dòng điện có cường độ 5 A, sẽ có dòng electron di động với tốc độ vĩ mô là vài millimét trên giây. Ví dụ khác, các electron chuyển động trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng.
Tốc độ di chuyển vĩ mô của dòng điện không nhất thiết phải là tốc độ truyền thông tin của nó. Tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây đồng nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng. Đó là do, theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua photon, hạt chuyển động với vận tốc ánh sáng. Sự di chuyển, có thể là chậm chạp, của một electron ở một đầu dây, sẽ nhanh chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây kia, thông qua tương tác này. Điều này cũng giống như khi đầu tàu hỏa chuyển động với vận tốc nhỏ (ví dụ vài cm/s), gần như ngay lập tức toa cuối cùng của đoàn tàu cũng nhận được thông tin và chuyển động theo. Chuyển động tổng thể của đoàn tàu là chậm, nhưng thông tin lan truyền dọc theo đoàn tàu rất nhanh (vào cỡ tốc độ âm thanh lan truyền dọc theo tàu).
Mật độ dòng điện
mật độ dòng điện (ký hiệu là \delta) là dòng điện chạy qua 1mm2 tiết diện dây dẫn
Công thức: \delta = I/S
Sự phát nóng dây dẫn phụ thuộc vào mật độ dòng điện qua nó.
Đại lượng Ký hiệu Đơn vị đo Công thức
Mật độ dòng điện \delta A/mm2 \delta = I/S
Tiết diện dây dẫn S mm2 S = I/\delta
Dòng điện cho phép I A I = \delta.S
Phụ tải lâu dài của dây đồng và dây nhôm có bọc cách điện
Đường kính, mm Tiết diện, mm2 Dòng điện cho phép của dây đồng A Dòng điện cho phép của dây nhôm A Dây chảy cầu chì là dây đồng, A
0,96 0,75 13 13 4
1,1 1 16 16 6
1,4 1,5 20 16 10
1,8 2,5 27 21 15
2,25 4 35 28 20
2,75 6 45 37 25
3,5 10 65 51 35
4,5 16 86 68 50
5,6 25 115 90 60
Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ bị nóng quá, chảy hoặc cháy. Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển hóa thành nhiệt năng, mật độ dòng điện lớn quá có thể tạo ra từ trường quá mạnh, phá hủy trạng thái siêu dẫn.