Hustota elektrického proudu

Hustota elektrického proudu neboli proudová hustota je intenzivní (udává měrnou hodnotu) vektorová (má velikost a směr) fyzikální veličina popisující lokální rozložení elektrického proudu. Udává velikost proudu protékajícího v daném bodě prostoru jednotkovou plochou kolmou na směr pohybu kladného náboje a tento směr. V oblasti platnosti Ohmova zákona jsou hustota elektrického proudu a intenzita elektrického pole tímto zákonem svázané a mají stejný směr.

Definice

Proudová hustota

Značka: $J$

Jednotka SI: ampér na čtverečný metr, značka $\mathrm {Am} ^{-2}$

Hustota elektrického proudu je definována jako součin objemové hustoty $\rho$ elektrického náboje a rychlosti $v$ jeho nosiče v daném místě, tj.:

${\boldsymbol {J}}=\rho \ {\boldsymbol {v}}$,

její velikost je rovna podílu okamžitého elektrického proudu procházejícího daným elementem průřezu vodiče $\mathrm {d} S_{\perp }$ kolmého na střední směr ${\boldsymbol {n}}$ pohybu nosičů nábojů, které proud $I$ tvoří:

${\boldsymbol {J}}={\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} S_{\perp }}}{\boldsymbol {n}}$,

což lze v integrálním tvaru zapsat vztahem pro proud $I$ celým průřezem vodiče:

$I=\int _{S}{\boldsymbol {J}}\cdot \mathrm {d} S_{\perp }$.

V případě, že je proud po průřezu vodiče rozložený rovnoměrně, lze tento vztah zjednodušit na skalární vztah:

$J={\frac {I}{S_{\perp }}}$.

Délková proudová hustota

Značka: $J_{S}$

Jednotka SI: ampér na metr, značka $\mathrm {Am} ^{-1}$

Délková hustota elektrického proudu je definována jako součin plošné hustoty $\sigma$ elektrického náboje a rychlosti $v$ jeho nosiče v daném místě, tj.:

${\boldsymbol {J}}_{S}=\sigma \ {\boldsymbol {v}}$,

její velikost je rovna podílu okamžitého elektrického proudu procházejícího daným elementem délky vodiče $\mathrm {d} l$ ve středním směru ${\boldsymbol {n}}$ pohybu nosičů nábojů, které proud $I$ tvoří:

${\boldsymbol {J}}_{S}={\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} l}}{\boldsymbol {n}}$,

což lze v integrálním tvaru zapsat vztahem pro proud $I$ celým délkovým „průřezem“ vodiče:

$I=\int _{l}{\boldsymbol {J}}_{S}\cdot \mathrm {d} l$.

Hustota plošného elektrického proudu vystupuje ve vztazích teorie elektromagnetického pole formulovaných v diferenciálním tvaru, které se týkají plošných vodičů nebo plošných rozhraní. Příkladem může být rovnice pro změnu vektoru intenzity magnetického pole na plošném rozhraní protékaném proudem o délkové hustotě ${\boldsymbol {J}}_{S}$ (jednotkový vektor normály $\mathbf {n}$ směřuje z prostředí 2 do prostředí 1):

${\boldsymbol {n}}\times \left({\boldsymbol {H}}_{1}-{\boldsymbol {H}}_{2}\right)={\boldsymbol {J}}_{S}$.

Použití

Ve fyzice

Hustota elektrického proudu vystupuje ve vztazích teorie elektromagnetického pole formulovaných v diferenciálním tvaru. Příkladem mohou být

• rovnice kontinuity, tj. zákon zachování elektrického náboje v diferenciálním tvaru:

$\nabla \cdot {\boldsymbol {J}}+{\frac {\partial \rho }{\partial t}}=0$,

• Ohmův zákon v diferenciálním tvaru:

${\boldsymbol {J}}=\sigma {\boldsymbol {E}}$,

• první Maxwellova rovnice:

$\nabla \times {\boldsymbol {H}}={\boldsymbol {J}}_{\mathrm {vol} }+{\frac {\partial {\boldsymbol {D}}}{\partial t}}$.

V elektrotechnice

Lokální hustota tepelného výkonu (Joulova tepla) uvolňovaného při průchodu elektrického proudu daným prostředím je dána skalárním součinem intenzity elektrického pole ${\boldsymbol {E}}$ a hustoty elektrického proudu ${\boldsymbol {J}}$ ($P$ značí výkon, $V$ objem):

${\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}={\boldsymbol {J}}\cdot {\boldsymbol {E}}$.

Uvolňované lokální teplo je tedy přímo úměrné hustotě elektrického proudu a ta je proto vhodnou charakteristikou pro limitaci, která zamezuje účinkům přílišného lokálního zahřátí vodiče. Aby se vodič příliš neohříval, neměla by být hustota při dlouhodobém zatěžování vyšší než cca 4 A/mm² (u mědi a hliníku).

Zobecnění

Jako u elektrického proudu lze rozdělit i hustotu na hustotu volného proudu a hustotu proudů vázaných (polarizačních a magnetizačních). Lze ji zobecnit i na případy, kdy nedochází k pohybu nositelů náboje, a definovat tzv. hustotu Maxwellova proudu:

${\boldsymbol {J}}_{\mathrm {Max} }=\varepsilon _{0}\,{\frac {\partial {\boldsymbol {E}}}{\partial t}}$.

Literatura

• SEDLÁK, Bedřich; ŠTOLL, Ivan. Elektřina a magnetismus. 3. vyd. Praha: Karolinum, 2012. 595 s. ISBN 978-80-246-2198-2. 

Související články

• Elektrický proud
• Elektrický náboj
• Elektrický potenciál

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Hustota elektrického proudu na Wikimedia Commons
• Maxwellův proud na WIKI Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy

Autoritní data	GND: 4267929-1 LCCN: sh85041606 NLI: 987007535947405171

Portály: Fyzika