9.1 Prąd elektryczny

Średnie natężenie prądu elektrycznego $I_{śr}$ jest prędkością przepływu ładunków, daną wzorem $I_{śr} = Δ Q ∕ Δ t$ , gdzie $Δ Q$ jest ilością ładunku przepływającego przez powierzchnię w czasie $Δ t$ .
Chwilowa wartość natężenia prądu elektrycznego (lub natężenie prądu $I$ ) jest prędkością przepływu ładunków. Jeśli zastosujemy granicę, gdy czas dąży do zera, otrzymamy $I = d Q ∕ d t$ , gdzie $d Q ∕ d t$ jest pochodną ładunku po czasie.
Kierunek konwencjonalnego prądu jest kierunkiem przepływu dodatnich ładunków. W prostym stałoprądowym (DC) obwodzie prąd płynie od dodatniej elektrody baterii do ujemnej.
Jednostką natężenia prądu w układzie SI jest amper ( $A$ ), gdzie $1 A = 1 C ∕ s$ .
Prąd to przepływ swobodnych ładunków, takich jak elektrony, protony czy jony.

9.2 Model przewodnictwa w metalach

Prąd płynący w przewodniku zależy głównie od ruchu swobodnych elektronów.
Gdy do przewodnika zostanie przyłożone pole elektryczne, swobodne elektrony nie poruszają się ani ze stałą prędkością, ani w jednym kierunku. Natomiast poruszają się prawie losowo z powodu zderzeń z innymi elektronami oraz atomami.
Mimo że elektrony poruszają się ruchem prawie losowym, to po przyłożeniu pola elektrycznego do przewodnika ich całkowita prędkość może być zdefiniowana za pośrednictwem prędkości dryfu.
Gęstość prądu jest wielkością wektorową zdefiniowaną jako stosunek natężenia prądu płynącego przez nieskończenie małą powierzchnię do tej powierzchni.
Natężenie prądu można wyznaczyć, posługując się gęstością prądu
$I = \iint_S \vec{J} \cdot \d \vec{S} \text{.}$
Żarówka to żarnik zamknięty w szklanej bańce, w której występuje słaba próżnia. Prąd, płynąc przez żarnik, powoduje, że energia elektryczna zamienia się w światło oraz ciepło.

Jednostką rezystancji jest om ( $Ω$ ), związany z woltem i amperem zależnością $1 Ω = 1 V ∕ A$ .
Rezystancja $R$ walca o długości $L$ i powierzchni przekroju czynnego $S$ wynosi $R = ρ \cdot L ∕ S$ , gdzie $ρ$ to rezystywność materiału.
Wartości $ρ$ w Tabeli 9.1 podzielono na trzy grupy i przypisano je do trzech rodzajów materiałów: przewodników, półprzewodników i izolatorów.
Temperatura wpływa na rezystywność; dla małych zmian temperatury $Δ T$ rezystywność wynosi $ρ = ρ_{0} (1 + α Δ T)$ , gdzie $ρ_{0}$ jest początkową rezystywnością, natomiast $α$ to temperaturowy współczynnik rezystywności.
Rezystancja $R$ elementów również zmienia się z temperaturą: $R = R_{0} (1 + α Δ T)$ , gdzie $R_{0}$ to rezystancja początkowa, natomiast $R$ to rezystancja po zmianie temperatury.

Prawo Ohma jest empirycznym związkiem między natężeniem prądu, napięciem a rezystancją dla typowych elementów obwodu, takich jak rezystory. Nie ma zastosowania w innych urządzeniach, takich jak diody.
Jedną z postaci prawa Ohma jest związek między natężeniem prądu $I$ , napięciem $U$ a rezystancją $R$ w prostym obwodzie $U = I R$ .
Inną postacią prawa Ohma w ujęciu mikroskopowym jest $J = σ E$ .

Moc elektryczna jest miarą energii elektrycznej dostarczanej do obwodu lub pobieranej przez obciążenie w czasie.
Moc pobierana przez rezystor zależy od kwadratu natężenia prądu płynącego przez rezystor i równa się $P = I^{2} R = U^{2} ∕ R$ .
Jednostką mocy elektrycznej w układzie SI jest wat, natomiast jednostką energii elektrycznej dżul. Inną powszechnie używaną w przemyśle jednostką mocy jest kilowatogodzina ( $kW h$ ).
Całkowita energia zużyta w czasie może być obliczona przy użyciu $E = \int P d t$ .

Nadprzewodnictwo jest zjawiskiem występującym w niektórych materiałach po schłodzeniu do bardzo niskiej temperatury, poniżej temperatury krytycznej; powoduje ono spadek rezystancji do zera i zanik pola magnetycznego w nadprzewodniku.
Materiały, które w normalnych warunkach są dobrymi przewodnikami (takie jak miedź, złoto, srebro), nie wykazują cech nadprzewodnictwa.
Nadprzewodnictwo w rtęci po raz pierwszy zaobserwował Heike Kamerlingh Onnes w roku 1911. W 1986 roku dr Ching Wu Chu z Uniwersytetu w Houston stworzył kruchy, ceramiczny związek, którego temperatura krytyczna była zbliżona do temperatury wrzenia ciekłego azotu.
Nadprzewodniki wykorzystuje się do tworzenia silnych magnesów stosowanych w MRI oraz pociągach, które mogą poruszać się z dużą prędkością.