ELEKTROTECHNIKA WIADOMOŚCI OGÓLNE Wykład 1
Podstawowe wielkości elektryczne oraz zjawisko prądu elektrycznego
Elektrotechnika jest działem nauki, który przenika niemal wszystkie dziedziny życia człowieka. Trudno wyobrazić sobie, aby poznanie podstawowych praw i zastosowań elektrotechniki było obce współczesnemu inżynierowi, bez względu na jego specjalność zawodową. Nie może mu być obca znajomość właściwości ruchowych i sposobów sterowania maszyn elektrycznych stanowiących napęd pomp, wentylatorów, elektronarzędzi, czy sprzętu domowego. Automatyzacja procesów produkcyjnych wymaga stosowania napędów elektrycznych, elektromaszynowych elementów automatyki, elektrycznych przyrządów metrologicznych, przyrządów i układów elektronicznych.
Teoria obwodów to dyscyplina naukowa zajmująca się szczegółową teoretyczną analizą obwodów elektrycznych i zjawisk w nich zachodzących, w tym m.in. metodą analizy rozpływu napięć i prądów obwodów RLC w stanach ustalonych lub okresowo zmiennych, czy obwodami sprzężonymi magnetycznie oraz filtrami, bazując przede wszystkim na podstawowej wiedzy z dziedziny elektrotechniki, jak np.: prawa Ohma, Kirchhoffa, i matematycznej: algebry liniowej, analizy matematycznej oraz topologii.
Wielkości i jednostki stosowane w elektrotechnice Przez wielkość fizyczną N rozumie się cechę zjawiska fizycznego lub własność ciała, którą można zmierzyć. Każdą wielkość fizyczną wyraża się wartością liczbową N i jednostką miary[n]. N=N [N]
Obecnie obowiązującym układem jednostek jest Międzynarodowy Układ Jednostek, oznaczony SI. Zawiera on 6 jednostek podstawowych: Długość metr, m; Masa kilogram, kg; Czas sekunda, s; Natężenie prądu elektrycznego amper, A; Temperatura kelwin, K; Natężenie światła kandela, cd. Oraz dwie jednostki uzupełaniające: Kąt płaski radian, rad; Kąt bryłowy steradian, sr.
Jednostka elektryczna -amper Amper jest natężeniem prądu elektrycznego nie zmieniającego się w czasie, który płynąc w dwóch równoległych przewodach prostoliniowych, nieskończenie długich, o przekroju znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m jeden od drugiego, wywołuje między tymi przewodami siłę równą 2x10-7 niutona na każdy metr długości przewodu.
L.p. Wielkość fizyczna Oznaczenie Nazwa jednostki Symbol jednostki 1. NatęŜenie prądu i, I amper A elektrycznego 2. Ładunek elektryczny q, Q kulomb C 3. Napięcie elektryczne u, U wolt V 4. NatęŜenie pola K wolt na metr V/m elektrycznego 5. Indukcja elektryczna D kulomb na metr C/m 2 kwadratowy 6. Pojemność elektryczna C farad F 7. Przenikalność elektryczna ε farad na metr F/m 8. rezystancja R om Ω 9. rezystywność ρ omometr Ωm 10. konduktancja G simens S 11. konduktywność γ simens na metr S/m 12. Indukcja magnetyczna B tesla T 13. Strumień magnetyczny φ weber Wb 14. NatęŜenie pola H amper na metr A/m magnetycznego 15. Przenikalność µ henr na metr H/m magnetyczna 16. Indukcyjność własna L henr H 17. Indukcyjność wzajemna M henr H 18. Przepływ, SMM Θ amper A 19. reluktancja R jeden przez henr 1/H 20. permeancja Λ henr H 21. częstotliwość f herc Hz 22. pulsacja ω radian na sekundę rad/s 23. Moc czynna P wat W 24. Moc bierna Q woltoamper VAr reaktywny (war) 25. Moc pozorna S woltoamper VA 26. reaktancja X om Ω 27. impedancja Z om Ω
Elektrotechnika jest kontynuacją nauki o elektryczności, będącej jednym z działów fizyki. Zajmuje się podstawami teoretycznymi zjawisk elektrycznych oraz ich wykorzystaniem. Wyjaśnienie istoty elektryczności należy do mikrofizyki, która w analizie materii uwzględnia budowę wewnętrzną cząsteczek i atomów. Według teorii, której podstawy sformułował Bohr, atom pierwiastka jest zbudowany z dodatnio naładowanego jądra, w skład którego wchodzą protony i neutrony oraz z powłok ujemnie naładowanych elektronów.
Zjawisko prądu elektrycznego powstaje w wyniku przepływu ładunków elektrycznych, a więc niezmiernie małych cząstek materii elektronów lub jonów które mają elementarny ładunek elektryczności. Każda materia składa się z olbrzymiej ilości nadzwyczaj małych części składowych: atomów i cząsteczek, związanych ze sobą siłami atomowymi. Atomy są najmniejszymi częściami pierwiastków chemicznych (miedzi, węgla, tlenu, wapnia i ponad stu innych).
Prąd elektryczny a) Ramka miedziana w równowadze elektrostatycznej. Każdy punkt ramki ma taki sam potencjał. W każdym punkcie ramki natężenie pola jest równe zeru. E=0 b) Bateria (źródło) wprowadza różnicę potencjałów między biegunami. Powstaje pole elektryczne w ramce. Obserwujemy uporządkowany ruch ładunków prąd elektryczny. E 0
Cząsteczki powstają w wyniku chemicznego połączenia ze sobą atomów jednego lub wielu różnych pierwiastków. To one są najmniejszymi cząstkami złożonych substancji o różnych właściwościach (jak na przykład woda, ciała organiczne, stopy metalowe, tworzywa termoplastyczne).
Ładunek elektryczny Wszystkie ciała zbudowane są z ogromnej liczby atomów. Atomy zaś zbudowane są z jądra atomowego, oraz krąŝących wokół niego elektronów. Zarówno jądro, jak i elektrony obdarzone są ładunkiem elektrycznym. Jądro jest dodatnie, a elektrony są ujemne. Oznaczamy te ładunki znakami "+" i "-". Oznaczenie który ładunek jest dodatni, a który ujemny było i jest całkowicie umowne i nie miało by to znaczenia, gdyby naukowcy zrobili to na odwrót. Ładunek pojedynczego elektronu zwany jest ładunkiem elementarnym.
Zwykle liczba elektronów w powłoce odpowiada liczbie protonów w jądrze atomu. Liczba protonów w jądrze określa rodzaj pierwiastka, a liczba protonów i neutronów decyduje o masie atomowej. Elektrony tworzące powłokę wypełniają te miejsca na kolejnych orbitach, począwszy od najbliższej jądra. Ogromne znaczenie dla zjawisk elektrycznych(jak też chemicznych) mają elektrony na ostatniej, zewnętrznej orbicie, zwanej orbitą walencyjną.
Jeżeli w powłoce atomu występuje tyle samo elektronów, ile protonów zawiera jego jądro, atom taki jest obojętny elektrycznie. Jeśli natomiast równowaga ta zostanie zakłócona, to występuje nadmiar lub niedobór elektronów. Wówczas atom w pierwszym przypadku jest obdarzony ujemnym ładunkiem elektrycznym, w drugim zaś dodatnim. Atomy takie nazywa się jonami: anionami, gdy jest naładowany ujemnie i kationami, gdy jest naładowany dodatnio. Kationy powstają w wyniku oderwania części elektronów od atomów. Elektrony takie występują w substancji obok atomów; nazywa się je elektronami swobodnymi. Elektrony swobodne mogą być przechwytywane przez pobliskie atomy i w ten sposób powstają aniony.
Z historycznych doświadczeń znamy następujące fakty: 1. Przyciąganie skrawków sukna przez bursztyn, czyli (Electrum) zauwaŝone zostało przez Greków ok. 700 roku p.n.e. 2. Około roku 1600 roku Gilbert zauwaŝa, Ŝe elektryzowanie jest powszechnie występującym zjawiskiem. 3. W roku 1730 C. Dufay stwierdza,ŝe istnieje dwa rodzaje elektryczności. Obecnie jest dla nas oczywistością istnienie dwóch typów - typu szklanego dodatnie, - typu ebonitowego ujemne. ładunków Istnienie ładunków dodatnich i ujemnych pokazał w roku 1750 Benjamin Franklin.
4. Materia w stanie równowagi jest neutralna, lecz wiemy, Ŝe składa się z ładunków, Ładunek naleŝy do podstawowych własności atomu. W atomach ładunek jest umieszczony w jądrze atomowym i na powłokach elektronowych, a pomiędzy jądrem, a elektronami działają siły.
Elektrostatyka
Elektrostatyka to dział zajmujący się badaniem oddziaływań ładunków elektrycznych będących w spoczynku. Pierwsze zjawiska elektrostatyczne zostały zaobserwowane w StaroŜytnej Grecji przez Talesa z Miletu w VI w.p.n.e. ZauwaŜył on, Ŝe bursztyn potarty suknem przyciągał kawałki nitek, suche trawy i inne drobne ciała. Wszystkie ciała mające takie same własności jak potarty bursztyn nazywa się ciałami naelektryzowanymi. Dziś wiemy, Ŝe naelektryzować moŝna wiele ciał w bardzo ławy sposób, jednakŝe dla StaroŜytnych było to odkrycie przypadkowe i przez wieki stanowiło tylko ciekawostkę. Dopiero w II połowie XVI wieku William Gilbert na podstawie licznych doświadczeń stwierdził, Ŝe przez tarcie moŝna naelektryzować róŝne ciała. Wynalazł teŝ prosty przyrząd - versorium, za pomocą którego badał przyciąganie ciał naładowanych.
Zasada zachowania ładunku Jednym z podstawowych praw dotyczących ładunków jest to, iŝ: Sumaryczny ładunek układu odizolowanego elektrycznie pozostaje stały. Jednostka ładunku - kulomb: 1 [q] =1 C =1 A s. Jeden kulomb jest to ładunek, jaki nie zmieniający się prąd o natęŝeniu jednego ampera przenosi w ciągu jednej sekundy. Istnieje najmniejszy ładunek elektryczny - ładunek jednego elektronu: q e =1,602 10-19 C
Jeszcze innym powodem, dla którego powstało określenie ładunku elementarnego jest sposób w jakim elektryzują się ciała. JeŜeli w jakimś ciele znajduje się tyle samo elektronów co protonów, to mówimy, Ŝe ciało to nie jest naelektryzowane. JeŜeli występuje w nim więcej elektronów niŝ protonów to mówimy, Ŝe ciało to jest naelektryzowane ujemnie. W przeciwnym przypadku - więcej protonów niŝ elektronów - ciało jest naelektryzowane dodatnio. Dlatego jeŝeli jakiekolwiek ciało jest naelektryzowane (czy to dodatnio czy ujemnie), to jego ładunek jest zawsze całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.
Naelektryzowane ciała oddziałują na siebie wzajemnie. JeŜeli naładujemy dwie kulki ładunkami odpowiednio q 1 i q 2, to zaobserwujemy, Ŝe działają one na siebie pewną siłą. Siłę tę scharakteryzował francuski fizyk Karol August Coulomb w 1785 r. Dwa ładunki punktowe działają na siebie siłą, która jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Siłę tę nazywamy siłą Coulomba. ZaleŜy ona jeszcze od otoczenia, w jakim znajdują się te ładunki Współczynnik proporcjonalności "k" występujący w równaniu zaleŝy od otoczenia. Dla próŝni:
By uogólnić wzór stosuje się inne oznaczenie współczynnika proporcjonalności: gdzie to przenikalność dielektryczna próŝni JeŜeli ładunki oddziałujące na siebie umieszczone są w innym środowisku niŝ próŝnia to stosuje się nieco inny współczynnik proporcjonalności: gdzie to względna przenikalność dielektryczna danego środowiska. Dla próŝni wynosi ona 1. W zaleŝności od środowiska przyjmuje ona inne wartości, a jakie to moŝna dowiedzieć się z odpowiednich tabel. Warto teŝ wiedzieć, Ŝe w powietrzu przenikalność dielektryczna jest prawie taka sama jak w próŝni, więc prawie zawsze stosuje się wzór dla próŝni.
Dipol elektryczny Dipolem elektrycznym nazywamy układ dwóch ładunków o równych wartościach q, lecz o przeciwnych znakach (+ i ), umieszczonych w niewielkiej odległości l od siebie. Dipole jest elektrycznie obojętny, lecz ze względu na dwa ładunki umieszczone w różnych punktach przestrzeni może oddziaływać z innymi dipolami lub swobodnymi ładunkami elektrycznymi.
Pole elektryczne Pole elektryczne to otoczenie każdego ładunku elektrycznego, w którym na inne ładunki działają siły elektryczne. Każdy ładunek jest źródłem pola elektrycznego działającego na inne ładunki, ale sam też podlega działaniu pól wytworzonych przez inne ładunki. Na tym polega wzajemność oddziaływań. Za pośrednictwem pola elektrycznego możliwe jest oddziaływanie między oddalonymi od siebie naelektryzowanymi ciałami, czyli oddziaływanie na odległość. Jeśli pole elektryczne nie zmienia się w czasie, to mówimy, że jest elektrostatyczne.
Linie pola elektrycznego Linie pola są to abstrakcyjne linie, które w każdym punkciepolasąstycznedosiłydziałającejwtympolu na próbny ładunek q. Ładunek próbny to ładunek dodatni o bardzo małej wartości, który ma znikomy wpływ na badane pole.
Pole centralne Pole centralne to pole wytworzone przez dodatni lub ujemny ładunek punktowy. Linie pola centralnego rozchodzą się promieniście i przecinają się w miejscu, w którym znajduje się ładunek będący źródłem tego pola. Linie te są zwrócone tak jak siły, które działałyby na umieszczony w tym polu ładunek próbny. Pole centralne nazywamy polem kulombowskim.
Pole jednorodne Pole jednorodne to pole wytworzone przez dwie równoległe, płaskie płytki naelektryzowane ładunkami o takiej samej wartości i o przeciwnym znaku. Linie pola jednorodnego są do siebie równoległe i są zwrócone od płytki dodatniej do ujemnej tak jak siły, które działałyby na umieszczony w tym polu ładunek próbny.
Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola elektrycznego jest to stosunek siły F, jaką pole działa na punktowy ładunek próbny q, umieszczony w danym punkcie pola, do wartości tego ładunku. Jednostką natężenia pola jest[n/c](niuton/kulomb) Natężenie pola w danym punkcie jest wprost proporcjonalne do wartości ładunku (źródła pola) i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od tego ładunku.
Potencjał elektryczny Potencjał elektryczny V w danym punkcie pola jest to stosunek energii potencjalnej ładunku próbnego E p umieszczonego w tym punkcie do wartości q tego ładunku. Jednostką potencjału jest 1 V(wolt) 1V=1J/1C Energia potencjalna dwóch ładunków wyrażona jest wzorem: gdzie: Q wartość ładunku źródła pola q wartość ładunku próbnego R odległość między ładunkami
Przekształcając odpowiednio oba powyższe wzory otrzymujemy wzór na potencjał elektryczny w postaci: Potencjał w danym punkcie pola zaleŝy od wartości ładunku źródła pola oraz od odległości tego punktu od źródła pola.
Praca w centralnym polu elektrycznym Praca wykonana przez siłę zewnętrzną podczas przesunięciu ładunku próbnego q, w polu elektrycznym wytworzonym przez punktowy ładunek Q wyraża się wzorem: w którym r1 i r2 oznaczają początkowe i końcowe położenie punktów pola, między którymi przesunięty został ładunek q.
Wartość pracy w polu elektrycznym nie zależy od kształtu i długości przebytej drogi między punktami pola, lecz od położenia tych punktów. Jest to cecha każdego pola zachowawczego, w którym praca wykonana przez siłę zewnętrzną jest magazynowana w postaci energii potencjalnej, która wzrasta o wartość wykonanej pracy. Gdy pracę wykonają siły pola, to W1,2 < 0 i energia potencjalna maleje.
Energia potencjalna w centralnym polu elektrycznym Energia potencjalna w polu centralnym wynika z oddziaływań między ładunkami punktowymi. Zakładamy, że gdy ładunki Q i q są w nieskończenie dużej odległości od siebie, to prawie w ogóle ze sobą nie oddziałują i dlatego w nieskończoności energia potencjalna ładunku q jest równa zeru.
Energia potencjalna w dowolnym punkcie pola jest równa pracy jaka musi być wykonana, aby sprowadzić ładunek q z nieskończoności do danego punktu pola. Dla pola centralnego energię potencjalną wyraża wzór:
Zjawisko indukcji elektrostatycznej Indukcja elektrostatyczna (zwana też influencją elektrostatyczną) - zjawisko fizyczne, sposób elektryzowania ciała w wyniku zbliżenia do niego naelektryzowanego ciała. Elektroskop i indukcja
Zjawisko indukcji elektrostatycznej wprzewodnikach Zbliżenie ciała naelektryzowanego odpowiada wprowadzeniu ciała do pola elektrycznego. W przewodniku wprowadzonym do pola elektrycznego ładunki swobodne przesuwają się tak, by wewnątrz przewodnika nie było pola elektrycznego. W wyniku czego przewodnik pozostaje elektrycznie obojętny (tak jak przed zbliżeniem) jako całość, ale jego części uzyskują ładunek elektryczny zwany ładunkiem indukowanym. Przesunięte ładunki zmieniają pole elektryczne nie tylko w przewodniku ale także w otaczającej przestrzeni. Po odsunięciu ładunku indukującego (bez rozdzielania) układ ładunków w przewodniku powraca do poprzedniego stanu. Jeżeli części przewodnika zostaną rozdzielone (rozłączone elektrycznie) na elementy o różnym stanie naelektryzowania, to powstaną ciała trwale naelektryzowane.
Zjawisko indukcji elektrostatycznej w dielektrykach W dielektrykach pole elektryczne powoduje tylko niewielkie przesunięcie ładunków wywołując polaryzację dielektryka. Zazwyczaj polaryzacja ustępuje po wysunięciu dielektryka z pola elektrycznego, ale w ferroelektrykach pozostaje niewielka jej część zwana polaryzacją resztkową. Istnieją substancje zachowujące trwale stan naelektryzowania nazywane są one piroelektrykami.
Występowanie i zastosowanie zjawiska indukcji elektrostatycznej Zjawisko indukcji elektrostatycznej jest odpowiedzialne za większość przypadków elektryzowania się ciał, np. taśmociągów, samochodu jadącego drogą, osoby chodzącej po izolującej podłodze. Zjawisko to jest podstawą działania maszyny elektrostatycznej i generatora Van de Graaffa, urządzeń do uzyskiwania ciał naelektryzowanych. Indukcja elektrostatyczna powoduje przyciąganie naelektryzowanego przez indukcję ciała, przez ciało które wywołało to naelektryzowanie. Siła ta jest wynikiem niejednorodności pola elektrycznego. Na ciało naelektryzowane działa siła w kierunku większego natężenia pola elektrycznego. Przykładem może być przyciąganie niewielkich skrawków papieru przez naelektryzowaną pałeczkę ebonitową.
Zjawisko prądu elektrycznego
W niektórych ciałach stałych występują duże ilości elektronów swobodnych, które pod działaniem odpowiednich sił przemieszczają się jak chmura w pustych przestrzeniach międzyatomowych. Zjawisko to wywołuje prąd elektryczny, nazywany elektronowym. Ciała takie nazywa się przewodzącymi lub przewodnikami prądu elektrycznego. W cieczach i gazach mogą występować jony (cząstki obdarzone ładunkiem), które przemieszczają się pod działaniem odpowiednich sił. Wywołuje to prąd elektryczny, nazywany jonowym. Ciała te są więc również przewodnikami prądu.
W ciałach stałych niezawierających elektronów swobodnych lub w cieczach i gazach niezjonizowanych prąd elektryczny nie może powstać. Materiały te nazywa się nieprzewodzącymi lub dielektrykami (izolatorami elektrycznymi). W nich również pod wpływem sił elektrycznych może nastąpić przesunięcie elektronów, ale tylko w obrębie atomów. Powoduje to odkształcenie orbit, po których krążą lekkie elektrony względem jąder atomowych masywnych i dlatego nieruchomych. W pewnych obszarach atomów występuje wtedy przewaga ujemnych ładunków elektrycznych elektronów, a w innych dodatnich ładunków protonów w jądrach. Nazywa się to polaryzacją atomów lub cząsteczek, a te po spolaryzowaniu nazywa się dipolami.
Takie bardzo małe, trwające tylko tysięczne części sekundy, przesunięcia powłoki elektronowej w atomach dielektryków, nazywa się prądem elektrycznym przesunięcia. Wywołuje on podobne zjawiska jak prąd elektronowy, tyle że bardzo krótkotrwałe.
Skutki wywoływane przepływem prądu elektrycznego zależą od intensywności przemieszczania się ładunków elektrycznych, czyli od natężenia prądu elektrycznego. Wielkość ta odpowiada ilości ładunków elektrycznych przepływających w danym miejscu przewodnika w jednostce czasu. Do określenia ilości ładunku elektrycznego elektronów trzeba by użyć bardzo dużych liczb. Z tego względu wprowadzono jednostkę zwaną kulombem (oznaczoną literą C), odpowiadającą ilości 6 10 18 (6 miliardom miliardów) elektronów. Jednostką miary natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper (w skrócie A), odpowiadający przepływowi ładunku 1 kulomba w ciągu 1 sekundy. Na przykład żarówka do świecenia potrzebuje przepływu prądu o natężeniu dziesiątych części ampera, średniej wielkości silnik elektryczny do obracanie się wymaga prądu o natężeniu kilku amperów, a ogrzewacz elektryczny do ogrzewania pomieszczenia prądu o natężeniu kilkunastu amperów.
Prąd elektryczny, przepływając, wykonuje pracę, co oznacza zużywanie energii elektrycznej. Energię tę wyraża się w watosekundach (W s) lub najczęściej w jednostkach 3 600 000 razy większych kilowatogodzinach(kwh). Energia zużywana w jednostce czasu wyznacza moc; w tym przypadku moc elektryczną. Wyraża się ją w watach (W) lub w tysiąc razy większych jednostkach kilowatach(kw). Moc określa zdolność urządzeń do wykonania zadań. Znając moc urządzenia elektrycznego i czas jego użytkowania, po przemnożeniu obu wielkości wyznacza się zużycie energii elektrycznej. Naprzykładgrzejnikomocy2kWwłączonyprzez3godziny(3h) zużywaenergięelektryczną2kw 3h=6kWh.
Kolejną podstawową wielkością elektryczną jest napięcie. Odpowiada ono energii zużywanej na przeniesienie jednostkowego ładunku elektrycznego (np. elektronu) z jednego miejsca do drugiego. Należy więc zawsze podać między jakimi punktami jest ono określone. By tego uniknąć, wprowadzono pojęcie potencjału elektrycznego. Jest to napięcie w danym miejscu względem ziemi, przy czym zakłada się, że ziemia ma zawsze potencjał równy zeru. Napięcie między określonymi punktami odpowiada więc różnicy potencjałów w tych punktach. Napięcie i potencjał wyraża się w woltach (w skrócie V) lub w tysiąc razy większych jednostkach kilowoltach (kv). Warto wiedzieć, że większość domowych urządzeń elektrycznych pracuje przy napięciu 230 V, choć silniki elektryczne o większej mocy są zasilane napięciem 400 V. Natomiast przenośne aparaty elektrycznepracująnaogółprzynapięciuod1,5vdo9v.
Między omówionymi wielkościami występują następujące zależności: W = P t P =U I w których: W energia elektryczna (W s), P moc (W), U napięcie(v), I natężenie prądu (A), t czas(s). MnoŜąc napięcie (w woltach) przez natęŝenie prądu (w amperach), uzyskuje się moc (w watach). Dzieląc natomiast moc (w watach) przez napięcie (w woltach), uzyskuje się w wyniku wartość natęŝenia prądu (w amperach). Na przykład Ŝarówka o mocy 75 W na napięcie 230 V pobiera prąd o natęŝeniu 75 W : 230 V = 0,33 A.
Rodzaje prądu elektrycznego
Prądy elektryczne rozróżnia się w zależności od tego, jak zmienia się w czasie ich natężenie. Można to przedstawić wykreślnie, odkładając na osi pionowej wartości natężenia prądu, a na osi poziomej czas. Prąd może płynąć przez dany przekrój przewodnika w dwóch kierunkach; na wykresie zaznacza się to, odkładając wartość natężenia w górę lub w dół od poziomej osi, czyli jako wartość dodatnią lub ujemną. Przyjęto uważać za dodatni kierunek prądu ten, który jest przeciwny do kierunku przepływu elektronów, ponieważ mają one ładunek elektryczny ujemny.
Na rysunku pokazano cztery przykładowe wykresy zmian natężenia prądu w funkcji czasu. W pierwszym przypadku natężenie prądu nie zmienia się z upływem czasu; mówi się wtedy, że jest to prąd stały. W drugim przypadku natężenie prądu zmienia się w czasie, ale prąd nie zmienia kierunku jest to prąd jednokierunkowy (na rys. tętniący). Jeśli występuje zmiana kierunku przepływu prądu, prąd nazywa się zmiennym w pewnych przedziałach czasu prąd płynie w jednym kierunku, a w innych prąd płynie w przeciwnym kierunku. W ostatnim przypadku przedstawiono szczególny przebieg prądu zmiennego, czyli prąd sinusoidalnie zmienny. Jest on powszechnie stosowany i nazywa się zwykle prądem przemiennym.
Prąd przemienny zaczyna płynąć w jednym kierunku i jego natężenie stopniowo wzrasta do wartości maksymalnej, następnie natężenie prądu maleje, aż prąd przestaje płynąć, po czym zaczyna znów płynąć, lecz w przeciwnym kierunku, a jego natężenie wzrasta do takiej samej wartości jak poprzednio (choć o przeciwnym znaku) i z kolei maleje, aż do wartości zerowej, po czym cykl się powtarza. Opisane zmiany powtarzają się w taki sam sposób w przedziałach czasu, nazywanych okresem, oznaczanych symbolem T.
Wykorzystywane w elektrotechnice prądy sinusoidalnie zmienne mają najczęściej okres zmian równy 1/50 s. Zmieniają one zatem kierunek przepływu 100 razy w ciągu sekundy. Często zamiast okresu zmian stosuje się wielkość odwrotną, zwaną częstotliwością f = 1/T. Jej jednostką jest herc (Hz). Na przykład prąd o okresie T = 1/50 s ma częstotliwośćf=50hz.
W przypadku prądów sinusoidalnie zmiennych ich wartości ulegają ciągłym i szybkim zmianom. W praktyce stosuje się tak zwane wartości skuteczne natężenia prądu oznaczane jako I oraz napięcia U (w elektrotechnice wartości te oznacza się wielką literą bez żadnego indeksu dolnego). Wartość skuteczną natężenia każdego okresowego prądu sinusoidalnie zmiennego określa się w taki sposób, aby odpowiadała ona wartości natężenia prądu stałego, powodującego takie same efekty cieplne.
Na przykład, jeśli grzejnik zasilany prądem stałym o natężeniu 5 A nagrzewa się tak samo jak przy zasilaniu prądem sinusoidalnie zmiennym w tym samymczasie,tomówisię,żetenprądmanatężenie o wartości skutecznej równej również 5 A. Jest to wartość stała, uśredniona dla całego okresu skwadratowanego przebiegu zmian natężenia prądu. Okazuje się, że wartość ta jest 2 (czyli 1,42) razy mniejsza od wartości maksymalnej I m, zwanej amplitudą. A zatem wartość skuteczną prądu wyraża się wzorem: I = I m 2, a napięcia: U = U m 2
Wraz ze zmianami natężenia prądu i wartości napięcia zmienia się także moc. Moc jest bowiem iloczynem natężenia prądu i napięcia w przypadku ich wartości chwilowych. A zatem wartość chwilowa mocy p = u i. Nie zawsze dotyczy to wartości skutecznych prądu I oraz napięcia U, gdyż tylko w szczególnymprzypadkumocp=u I.