Metālos un elektrolītos mīt brīvie lādiņnesēji, kas atrodas nepārtrauktā haotiskā siltumkustībā (1. att.). Ja attiecīgo vidi pakļauj elektriskajam laukam ar intensitāti E, tad uz katru lādiņnesēju sāk darboties nekompensēts spēks F = |q|E, kur q - lādiņa lielums (1. att.). Šis nekompensētais spēks izraisa daļiņas virzītu kustību, un vidē sāk plūst strāva. Par elektrisko strāvu sauc lādētu daļiņu virzītu kustību.
1.att. Lādiņu kustība metālos un elektrolītos (šķidrumos)
Ja vidē ir elektriskais lauks, tad starp dažādiem vides punktiem pastāv potenciālu starpība jeb spriegums U. Par spriegums avotu kalpo elektroenerģijas avots. Ja šo elektroenerģijas avotu ievieto noslēgtā elektriskajā ķēdē ar kādu elektroenerģijas patērētāju (2. att.), tad ķēdē sāk plūst strāva. Par strāvas plūšanas virzienu fizikā pieņemts tas virziens, kurā elektriskā lauka ietekmē pārvietojas pozitīvie lādiņnesēji. Metālos lādiņesēji ir negatīvi lādētie elektroni, tādēļ šajā vidē reālais strāvas plūšanas virziens ir pretējs pieņemtajam strāvas virzienam (2. att.).
2.att. Noslēgta elektriskā ķēde
Ja vadītājā plūst strāva, tad noteiktā laika momentā t caur vadītāja šķērsgriezuma laukumu S izplūst lādiņš q (3. att.). Jo stiprāka ir strāva, jo lielāks ir lādiņš q, tādēļ par strāvas stiprumu I sauc lādiņa q un laika momenta t attiecību: I = q : t. Strāvas stiprumu mēra ampēros (A). Vienu apmēru stipra strāva nozīmē, ka vienas sekundes laikā caur vadītāja škērsgriezumu izplūst 1 C liels lādiņš.
Strāvas stiprumu I iespējams aprēķināt, izmantojot izteiksmiI = enSv, kur
e – lādiņnesēja lādiņa lielums (C),
n – lādiņnesēju koncentrācija (1/m3),
S – vadītāja šķērsgriezuma laukums (m2),
v – lādiņnesēju pārvietošanās ātrums (m/s).
Skaties DZM materiālu par elektriskās strāvas stiprumu!
3.att. Strāvas plūsma vadītājā
Vadītājā elektrisko strāvu var radīt reizē gan pozitīvie, gan negatīvie lādiņnesēji. Lai gan tie kustas pretējos virzienos, elektrisko strāvu tie rada vienā virzienā, tādā veidā pastiprinot cits citu (1. att.). Šādā gadījumā strāvas stiprumu aprēķina I = (q+ + |q-|) : t, kur
q+– pozitīvā lādiņa lielums, kas laika momentā izplūst caur vadītāja šķērsgriezumu (C),
q-– negatīvā lādiņa lielums, kas laika momentā izplūst caur vadītāja šķērsgriezumu (C),
t – laika moments (s).
Formulā tiek lietots negatīvā lādiņa modulis |q-|, jo, saskaitot lādiņus, ir jāņem vērā to absolūtais lielums. Ja modulis netiktu lietots, tad rastos situācija, ka pretēju zīmju lādiņu radītās strāvas viena otru atceļ, bet tā nav – tās summējas.
1. att. Elektriskā strāva vadītājos ar pretēju zīmju lādiņnesējiem
Metālā elektroni pārvietojas ar ātrumu v. Pārvietojoties ar šādu ātrumu, laika momentā t elektroni veic attālumu L = vt. Ja vadā iezīmē divus šķērsgriezumus S, kas atrodas attālumā L (2. att.), tad laika momentā t visi N elektroni, kas atrodas to starpā, izplūst caur vienu no šķērsgriezumiem. Līdz ar to pa vadu plūst strāva ar stiprumuI = q : t = Ne : t, kur e ir viena elektrona lādiņš. Zinot brīvo elektronu koncentrāciju n, var aprēķināt N, jo N = nV, kur V ir vadītāja tilpums starp abiem šķērsgriezumiem: V = LS = vtS. Apvienojot iegūtās sakarības, iegūstI = enSv.
2.att. Elektronu kustība metāla vadā
Strāvas stipruma vērtības dažādās elektriskajās ierīcēs redzamas 3. attēlā.
3.att. Dažādas strāva stipruma vērtības
3. attēlā redzamo strāvas stiprumu rada divu veidu strāvas: līdzstrāva un maiņstrāva. Ja lādiņu plūsma kustas vienā virzienā un nemaina savu stiprumu, tad to sauc par līdzstrāvu (4. att. a). Līdzstrāva, piemēram, plūst elektroniskajās ierīcēs, ko darbina baterijas vai uzlādēts akumulators, un automašīnu elektriskajā sistēmā. Pretstatus līdzstrāvai lādiņu plūsmas virziens un strāvas stiprums maiņstrāvai periodiski mainās (4. att. b). Ar maiņstrāvu darbojas visas elektroniskās sadzīves iekārtas, ko darbina no elektriskā tīkla.
4.att. Strāvas stipruma izmaiņas līdzstrāvā (a) un maiņstrāvā (b)
Kā jau minēts, automašīnu elektriskajā sistēmā plūst līdzstrāva. Automašīnā ir ļoti daudz elektrības patērētāju, piemēram, starteris, gaismas, radio, mērierīces utt. Agrāk automašīnām mērinstrumentu panelī bija speciāla mērierīces – ampērmetrs, kas parādīja, cik stipra strāva plūst automašīnas elektriskajā sistēmā (5. att. b). Mūsdienu automašīnās šis mērinstruments ir aizstāts vien ar indikatora lampiņu (5. att. a), kas norāda to, vai strāva tiek ņemta no automašīnas akumulatora (degoša indikatora lampiņa) vai no automašīnas ģeneratora (nedegoša indikatora lampiņa).
5.att. Mūsdienu (a) un senākas (b) automašīnas mērinstrumentu panelis
Vielas pēc to spējas vadīt elektrisko strāvu var iedalīt trīs grupās: vadītāji, pusvadītāji un izolatori. Katrai grupai ir raksturīgs brīvo lādiņnesēju skaits n tilpuma vienībā (1. att.). Zinot n, var aptuveni novērtēt lādiņu kustības ātrumu vadītājā. Pieņemsim, ka mums ir metāla vads ar šķērsgriezuma laukumu S = 12 mm2 (vada diametrs ap 2 mm), pa kuru plūst 1 A stipra strāva. Strāvas stiprumu noteic formula I = enSv. No šīs formulas var izteikt v = I : (enS). Metāls ir labs vadītājs, tādēļ n = 1029 1/m3. Ieliekot v izteiksmē nepieciešamos lielumus: v = I : (enS) = 1 : (1,6 ·10-19 ·1029 ·12 · 10-6) ≈ 0,00001 m/s. Tā ir tikai milimetra simtā daļa sekundē. Tomēr, ieslēdzot gaismas slēdzi, gaisma istabā ieslēdzas teju momentāni. Tas ir tādēļ, ka lādiņnesēji gan kustas lēni, taču tos virzošais elektriskais lauks izplatās ar gaismas ātrumu, tātad ļoti ātri.
1.att. Lādiņu koncentrācija vadītājā
Strāvas stipruma raksturošanai var izmantot arī tādu lielumu kā strāvas blīvums j. Par strāvas blīvumu j sauc strāvas stipruma I un vadītāja šķērsgriezuma attiecību (2. att.): j = I : S. Strāvas blīvuma mērvienība ir ampērs uz kvadrātmetru (A/m2). Aizstājot izteiksmē I = enSv strāvas stiprumu ar strāvas blīvumu, iegūst j = env.
2.att. Strāvas blīvums
Ja ķēdē plūst nemainīga stipruma strāva I, tad, izmantojot strāvas stipruma definīciju I = q : t, var aprēķināt, cik liels lādiņš q izplūdis caur vadītājā šķērsgriezumu laikā t. Ja strāvas stiprums ir mainīgs, tad pieminēto izteiksmi vairs nevar lietot, toties pastāv iespēja izmantot grafisko metodi. Ja ir iespēja uzzīmēt grafiku strāvas stipruma atkarībai no laika, tad caur vadītāja šķērsgriezumu izplūdušais lādiņš ir vienāds ar laukumu, ko ierobežo grafika līkne un laika ass (3. att.).
3.att. Grafiskā metode lādiņa noteikšanai
Vienu ampēru stipra strāva nozīmē, ka vienas sekundes laikā caur vadītāja, piemēram, metāla vada šķērsgriezumu izplūst 1 C liels lādiņš. Ja blakus novieto divus vadus un pa tiem abiem plūst strāva, tad šie vadi pievelk viens otru ar spēku F atkarībā no strāvas stipruma I, kas plūst pa vadiem. Tas dod iespēju šādai ampēra definīcijai: ampērs ir tāds strāvas stiprums, kas, strāvai plūstot divos taisnos, paralēlos un ļoti garos vados, kas novietoti 1 m attālumā viens no otra, 1 m garā vada posmā izraisa pievilkšanās spēku starp vadiem F = 2 · 10-7N (4. att.).
4.att. Ampēra definēšana