El corrent elèctric és el flux o moviment de càrregues elèctriques, normalment a través d'un cable o qualsevol altre material conductor. Les càrregues elèctriques poden ser tant negatives (electrons) com positives (forats), malgrat que el corrent convencional ha estat definit, per raons històriques, com un flux de càrregues positives. Avui, però, coneixem que en materials com els metalls la circulació és de càrregues negatives i en direcció oposada; tot i això, la definició del corrent convencional continua essent vàlida.
El corrent elèctric és una magnitud física d'importància fonamental en la tecnologia relacionada amb l'electrotècnia i amb l'electrònica i proporciona un gran nombre d'aplicacions. S'utilitza tant pel transport d'informació com pel transport d'energia. El corrent elèctric s'utilitza per a l'alimentació dels dispositius elèctrics, per a aquest propòsit s'utilitzen dues varietats, el corrent continu (CC, DC), que presenta una intensitat de flux de càrregues en una única direcció, i el corrent altern (CA, AC),en el qual la intensitat del flux de càrregues varia periòdicament al llarg del temps i el seu sentit de circulació també.
La unitat de mesura per al corrent elèctric en el Sistema Internacional d'Unitats (SI) és l'ampere (simbolitzat com a A), que equival al flux d'un coulomb de càrrega per segon, una mesura, doncs, de la quantitat de càrrega per unitat de temps. Està anomenat en honor a André-Marie Ampère. Aquesta magnitud física s'acostuma a simbolitzar com a I. El corrent elèctric, es pot mesurar directament utilitzant un amperímetre o de manera indirecta mitjançant la detecció del camp magnètic generat pel corrent a mesurar amb sensors d'efecte Hall o amb bobines de Rogowski.
Història La utilització de la tecnologia del corrent elèctric va començar vers la meitat del amb el telègraf i la galvanització, per a les dues aplicacions s'utilitzava la potència que subministraven les primeres bateries. El 1866 Werner von Siemens va utilitzar el principi de la dinamo de Søren Hjorth per crear el primer generador elèctric comercial, que es venia com a màquina per la ignició a distància de les càrregues explosives. A partir de 1880 va desenvolupar màquines cada cop més grans per tal de respondre a les necessitats creixents d'energia elèctrica. Al principi les xarxes de corrent elèctric s'utilitzaven per proveir electricitat per l'enllumenat públic o domèstic amb làmpades de descàrrega, d'arc o d'incandescència. Una altra de les primeres utilitzacions del corrent elèctric va ser als fars atès que les làmpades elèctriques donaven una intensitat de llum superior a les antigues espelmes o làmpades de querosè. Com a resultat de l'evolució de la tecnologia van aparèixer les primeres centrals elèctriques que al principi es basaven en les turbines hidràuliques i els motors de vapor. A partir de principis del la disponibilitat de turbines de vapor de gran potència farà que aquesta tecnologia esdevingui el principal mitjà de producció de corrent elèctric.
Als darrers anys del es va produir el que s'anomena la guerra dels corrents, els contendents eren el corrent continu i el corrent altern, que es va decantar en favor del corrent altern. El corrent altern és avui dia la manera fonamental de transport de l'energia elèctrica i ofereix grans avantatges:
Baixes pèrdues durant la transformació. Gran rendiment i facilitat de transport a grans voltatges i utilització de transformadors per lliurar corrent adequat per a ser utilitzat a les llars i la indústria. Els motors trifàsics, que només funcionen amb corrent altern, són robustos i no requereixen commutador.
Però el corrent altern també presenta alguns inconvenients, com per exemple que la variació constant de la tensió obliga que els aparells elèctrics siguin alimentats a través d'un rectificador. Un altre problema és l'aparició de potència reactiva a la xarxa elèctrica, cosa que va portar a partir de la segona meitat del a l'aparició de les xarxes de transport de corrent continu d'alta tensió.
El corrent continu pot ser emmagatzemat als acumuladors i juntament amb la xarxa ferroviària (i tramviària) constitueix un mercat interessant que justifica la vigència d'aquest tipus de corrent. Des del punt de vista d'avui dia, fins i tot bateries de grans dimensions serien massa petites per emmagatzemar càrregues importants. El desenvolupament de l'electrònica de potència pot convertir fàcilment un tipus de corrent en l'altre, i els podem trobar junts, com per exemple als moderns trens multisistema.
Definició Sabem que un conductor elèctric està en equilibri si el camp elèctric és igual a zero en qualsevol punt dins del conductor, és a dir, el potencial elèctric és constant en tots els punts del conductor. És evident que si hi ha una diferència de potencial entre dos punts del conductor, també hi haurà un camp elèctric diferent de zero i, per tant, un corrent elèctric. Aquesta diferència de potencial es diu força electromotriu i constitueix la base del funcionament dels circuits elèctrics i els camps electromagnètics, juntament amb la llei d'Ohm i les lleis de Kirchhoff.
La magnitud d'un corrent elèctric a un punt determinat és la derivada respecte al temps de la càrrega elèctrica:
Formalment s'escriu com:
o de manera inversa com
La quantitat de càrrega Q que flueix per unitat de temps t és I, que és la intensitat del corrent. La intensitat del corrent elèctric tot i tenir una intensitat, una direcció i un sentit és una quantitat escalar, perquè se suma de manera escalar com ho demostra la llei dels nodes. Tanmateix la densitat del corrent està vinculada a una magnitud vectorial anomenada densitat de corrent.
El camp elèctric fa un treball sobre les càrregues, es produeix una transferència de potència des del camp cap a les càrregues en moviment. Aquest treball ve donat per:
La potència desenvolupada pel camp elèctric és llavors:
Intensitat del corrent elèctric Anomenem intensitat del corrent elèctric a la quantitat de càrrega elèctrica (Q) que passa per una secció transversal d'un conductor en cada unitat de temps establerta (t). En el SI s'expressa en C/s, unitat que es denomina ampere (A). Si el sentit de circulació del flux de càrrega elèctrica és constant en el temps, parlem del corrent continu; en cas contrari, és altern. Si no es produeix emmagatzemament ni disminució de càrrega en cap punt del conductor, el corrent és estacionari.
Equació de la intensitat del corrent elèctric:
I = intensitat del corrent elèctric
Q = quantitat de càrrega elèctrica
t = unitat de temps
La unitat d'intensitat de corrent en un sistema internacional d'unitats és lampere (A), és definit com la intensitat d'un corrent que transporta 1 coulomb (C) de càrrega cada segon. L'equació de l'ampere és la següent:
A = ampere
C = coulomb
s = segon
La unitat de la càrrega elèctrica és la càrrega de l'electró, es pot comprovar experimentalment que:
e= càrrega de l'electró
C = coulomb
Com mesurar la intensitat del corrent Per mesurar la intensitat del corrent elèctric s'utilitza un aparell anomenat amperímetre, aquest nom ve d'amperes que és la unitat en què es mesura el corrent elèctric. Per a efectuar la mesura de la intensitat del corrent circulant, l'amperímetre ha de situar-se en sèrie, és a dir, en una configuració de connexió que els borns o terminals dels dispositius es connecten seqüencialment, perquè que el dispositiu sigui travessat pel corrent. Això implica que l'amperímetre ha de posseir una resistència interna el més petita possible, a fi que no produeixi una caiguda de tensió apreciable. Per a això, en el cas d'instruments basats en els efectes electromagnètics del corrent elèctric, estaran dotats de bobines de fil gruixut i amb poques espires. En alguns casos, per a permetre la mesura d'intensitats superiors a les quals podrien suportar els debanaments i òrgans mecànics de l'aparell sense destruir-se, se'ls dota d'una resistència de molt petit valor col·locada en paral·lel amb el debanament, de manera que solament passarà per aquest una fracció del corrent principal. Aquesta resistència addicional rep el nom de shunt.
Densitat de corrent La densitat de corrent és la quantitat de corrent que travessa una unitat de superfície. Es defineix com un vector la magnitud del qual és el corrent elèctric dividit per l'àrea de la secció transversal, en el SI es mesura en amperes/metre quadrat.
Essent N el nombre de portadors de càrrega per metre cúbic (), i q cadascuna de les càrregues que es mouen dins del conductor amb una velocitat , anomenada velocitat de deriva; la càrrega que flueix per unitat de temps a través d'una secció A del conductor:
essent és vector perpendicular a la superfície A. S'anomena vector densitat de corrent al vector:
Aquest és un vector que té la mateixa direcció i el mateix sentit que la velocitat de deriva dels portadors de càrrega que al seu torn tenen la mateixa direcció del camp elèctric i concorda amb el camp si la càrrega q és positiva i és discordant si la càrrega és negativa.
Equació de continuïtat De la llei de la conservació de la càrrega se'n deriva una propietat fonamental de la densitat de càrrega elèctrica. Utilitzant el teorema de la divergència podem saber que:
on és el volum del conductor. La quantitat de càrrega elèctrica que flueix a través de la superfície A és la mateixa que la quantitat de càrrega que flueix a través del volum en el mateix temps:
la derivada parcial és necessària perquè el corrent pot variar segons la superfície. és la densitat de càrrega per unitat de volum. Comparant aquesta equació amb la integral del teorema de la divergència obtindrem l'equació de continuïtat:
o
En el cas estacionari la quantitat de càrrega es conserva al llarg del temps per tant i això porta a
Si es troba en estat estacionari de manera que el camp vectorial produït pel vector densitat de corrent és solenoidal. Això també ens indica que el flux de la densitat de corrent és constant i per tant, el corrent elèctric a través de qualsevol secció del conductor és sempre el mateix, independentment de la secció considerada. Aquest fet és conegut com la primera llei de Kirchhoff.
La velocitat de deriva de les càrregues elèctriques Les partícules carregades que es mouen en un conductor ho fan constantment i en direccions aleatòries, com ho farien les partícules d'un gas. Per tal que hi hagi un flux net de càrrega, les partícules s'han de moure també amb una velocitat de deriva conjunta mitja. Els electrons, que són els portadors de càrrega en els metalls, segueixen un camí erràtic, passant d'àtom a àtom, però generalment fluint en la direcció del camp elèctric.
A la definició de la densitat de corrent ens trobem amb la velocitat dels portadors de càrrega, aquesta velocitat no és la velocitat pròpia dels electrons o dels portadors de càrrega positiva (ions o d'altres). La velocitat d'agitació tèrmica de les partícules dins d'un conductor o un gas és deguda a l'agitació tèrmica i obeeix a les distribucions estadístiques i al principi d'equiparació de l'energia i és de l'ordre de . Es pot estimar fàcilment:
On és la massa d'un electró, és la constant de Boltzmann i és la temperatura ambient absoluta. D'aquí resulta:
.
A més d'aquest moviment a l'atzar, perquè hi hagi un flux de càrrega, els portadors de càrrega han de moure's a la mateixa velocitat de deriva. Els electrons de conducció són els portadors de càrrega en els metalls i segueixen camins irregulars, saltant d'un àtom a un altre, però es mouen en la direcció general del camp elèctric. La seva velocitat de desplaçament és de l'ordre de , és a dir, de fraccions de mil·límetre per segon. Podem estimar aquesta velocitat utilitzant l'energia:
,
on <t> és el temps mitjà de trajecte lliure mitjà dels electrons entre els col·lisions de dos electrons. La velocitat a la qual flueixen pot ser calculada per mitjà de l'equació:
on és el corrent elèctric és el nombre de partícules carregades per unitat de volum