mini|Et av de første bildene av et lyn. Bildet ble tatt den 3. juni 1902 og viser elektrisk strøm både som et naturfenomen og som elektrisk belysning i en storby. mini|Et amperemeter fra et skolelaboratorium av d'Arsonval-typen som brukes til strømmåling. Instrumentet kan også måle spenning og har terminaler for forskjellige spennings- og strømnivåer.
Elektrisk strøm, eller elektrisk strømstyrke, er elektriske ladninger i bevegelse. I elektriske kretser består strømmen av ladningsbærere, for eksempel i form av elektroner i en metallisk leder. SI-enhet for elektrisk strøm er ampere. Elektrisk strøm måles ved hjelp av et amperemeter. Sammenhengen mellom strøm og spenning i en metallisk leder er gitt av Ohms lov.
Metaller er foretrukne ledere i elektriske kretser. I metaller er ett eller flere elektroner løst bundet til atomene, og de kan dermed bevege seg fritt rundt i metallet. Disse elektronene kalles for ladningsbærere, men er ikke de eneste formene for ladningbærere. Når det settes på en spenning fra en spenningskilde over en elektrisk leder, vil det elektriske feltet drive ladningene i én retning gitt av deres polaritet. Lederen overfører da elektrisk energi.
Elektrisk strøm fører til oppvarming som for eksempel skaper lys i en glødelampe eller tap av energi i en kraftlinje. Den genererer også et magnetfelt, som kan nyttiggjøres i elektriske motorer, spoler, transformatorer og generatorer.
I andre stoffer enn metaller finnes også andre typer «ledningsmekanismer». I vakuum kan det dannes en stråle av positivt og negativt ladde ioner, elektroner og andre elementærpartikler. I andre ledende materialer kan det gå en elektrisk strøm på grunn av flyt av både positivt og negativt ladede ladningsbærere på samme tid, og i halvledende materialer ved forskyvning av manglende ladninger. Strømmen i en elektrolytt forårsakes av positivt eller negativt ladede ioner, og det finnes elektrolytter hvor det samtidig finnes både positive og negative ioner. I en vanlig blyakkumulator er den elektriske strømmen sammensatt av positive hydrogenioner (protoner) som strømmer i én retning og negative sulfationer som strømmer motsatt vei. I strømmen i en elektrisk lysbue eller i plasma er det elektroner såvel som positive og negative ioner som er ladningsbærere. I is og i visse faste elektrolytter er den elektriske strømmen helt forårsaket av strømmende ioner.
Notasjon og måleenhet
Den konvensjonelle symbolet for strøm er I, som stammer fra det franske uttrykket intensité de courant, eller strøm (strømstyrke) på norsk.T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, s. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 0-7487-6748-7.Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 0-675-20449-6. Symbolet I ble brukt av den franske fysikeren og matematikeren André-Marie Ampère (1775–1836) da han formulerte Ampères sirkulasjonslov i 1820.A-M Ampère,Recuil d'Observations Électro-dynamiques, s. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
SI-enhet for elektrisk strøm er ampere, oppkalt etter André-Marie Ampère.
Forekomster Elektrisk strøm kan observeres i naturen blant annet ved lyn og statisk elektrisitet og ved solvind, som er kilden til nordlys. Nervesystemet hos levende organismer fungerer på grunn av elektrisitet.
Blant fisker er sanseorganer som kan registrere elektriske felt vanlige, og mange fiskeslag har også utviklet organer som kan produsere elektrisk strøm. Fisker med strømproduserende organer bruker det elektriske feltet som omgir dem, til å finne fram i mørket og for å kommunisere med artsfrender. Noen fisker, som elektriske skater, elektrisk ål og stjernekikkere, produserer sterk strøm som brukes til å lamme byttedyr eller skremme bort predatorer.
mini|En elektrisk kraftledning transporterer elektrisk effekt over store avstander. Typisk er strømmen produsert av generatorer og transformert opp til svært høye spenningsnivåer om den elektriske energien skal overføres over lange avstander.
Menneskeskapt elektrisk strøm forekommer i en rekke sammenhenger, fra kraftledninger som overfører elektrisk energi over lange avstander, til små strømmer i datamaskiner og andre elektroniske apparater. Elektriske strømmer oppstår i ledere som utsettes for varierende magnetisk felter på grunn av elektromagnetisk induksjon, som i transformatorer og generatorer. Når høyfrekvent elektrisk strøm går inn i en radioantenne, genereres elektromagnetiske bølger, kalt radiobølger.
Andre former for elektrisk strømflyt er den som skjer gjennom vakuum i et vakuumrør, strømmen av ioner inne i et batteri og strømmen av såkalte elektronhull i en halvleder.
Fysisk beskrivelse Elektrisk strøm, så vel som alle fenomener relatert til elektrisitet, har sin årsak i elektriske ladninger og deres natur. Elektriske ladninger er bipolare, de har én av to ulike ladninger, definert som positive og negative.James W. Nilsson: Electric Circuits side 5-6. Den som først kalte ladninger for positive og negative var den amerikanske vitenskapsmannen og politikeren Benjamin Franklin (1706–1790).Young og Freedman: University physics side 710. En annen karakteristikk ved ladninger er at de kun eksisterer i diskrete kvantiteter. De aller fleste elementærpartikler som har ladning er størrelsen av disse multipler av elektronets ladning, som er på 1,6222·10-19 C. Et unntak er kvarker, der ladningen er brøkdeler av elementærladningen.Young og Freedman: University physics side 711. Elektriske fenomener kan generelt sies å ha sitt opphav i separasjon av ladninger og bevegelse av ladninger. Separasjon av ladninger fører til elektrisk potensialdifferens, også kalt spenning, mens bevegelse av ladninger fører til elektrisk strøm.
Definisjon Størrelsen av ladningsflyt gjennom en flate kalles for strøm og kan matematisk defineres som:
Dette vil si antall ladningsenheter Q som passerer et tverrsnitt av lederen per tidsenhet t. Om ladningsflyten er helt konstant, altså uavhengig av tiden, kan uttrykket forenkles til .
I analyse av elektriske kretser der strømmen er en parameter en ønsker å finne, er det uinteressant å betrakte ladningene individuelt. Det enorme antallet av svært små ladninger av diskret natur og deres oppførsel trenger en ikke ta i betraktning. Isteden betrakter en alle ladningene samlet. På samme måte gjelder det at for definisjonen av elektrisk strøm trenger en ikke ta hensyn til om den består av elektroner som beveger seg i et metalls krystallstruktur av ioner, eller om den skyldes elektroner som beveger seg mellom de kovalent bindingene i et halvledermateriale.
Elektrisk felt og strøm
I en elektrisk leder der det ikke virker noe elektrisk felt vil det heller ikke være noen netto ladningsforflytning. Allikevel kan elektronene være i konstant bevegelse, det vil nemlig være frie elektroner som kan bevege seg rundt i metalliske ledere. Disse beveger seg tilfeldig rundt imellom atomene, i alle retninger, med en fart på 106 m/s, se illustrasjon. Ionene som metallstrukturen er bygget opp av, er positive slik at de negative elektronene vil være tiltrukket av disse. Elektronene får dermed ikke anledning til å forlate lederen. Når lederens to ender tilknyttes en kilde til elektromotorisk spenning, vil det settes opp et elektrisk felt gjennom lederen. Kraften som da virker på et elektron er gitt avYoung og Freedman: University physics side 847.
der F er kraften (en vektor), q er ladningen og E er feltvektoren til det elektriske feltet. For øvrig er vektorer størrelser som beskrives både av retning og størrelse, mens skalarer bare har størrelse. Her brukes fete symboler for vektorstørrelser og vanlige symboler for skalare størrelser. Denne kraften F virker i én retning og på alle elektronene. Om elektronene befant seg i vakuum og utsettes for dette konstante feltet ville de fått en konstant akselerasjon, dermed ville de oppnådd en meget høy hastighet etter kort tid. Dette er imidlertid ikke tilfelle for elektroner i en leder. Årsaken til dette er hyppige kollisjoner med de mye større og nesten helt stasjonære ionene i krystallstrukturen. Disse kollisjonene får elektronene til å skifte retning tilfeldig, men allikevel vil det samlet sett være en sakte bevegelse i en og samme retning. Dette kalles for driftshastighet, og denne hastigheten kan typisk være i størrelsesorden 10-4 m/s. Styrken av det elektriske feltet vil avgjøre hvor stor driftshastigheten blir.
mini|Animasjon av en enkel elektrisk krets med batteri, bryter og glødelampe.
Elektronenes sakte nettobevegelse er det en kaller for strøm. Når elektronene beveger seg så sakte i en leder kan det synes paradoksalt at lyset i en elektrisk lampe kommer på med en gang bryteren trykkes inn. Årsaken til dette er at i samme øyeblikk som bryteren slås på settes det elektrisk feltet opp gjennom hele lederen, noe som skjer med lysets hastighet. Dermed starter alle de frie elektronene i lederen praktisk talt å bevege seg samtidig i én retning. Det vil gjerne ta meget lang tid før et enkelt elektron beveger seg gjennom hele lederen, men det er av underordnet betydning.
Strømretning mini|Illustrasjon av klassisk strømretning og virkelig strømretning. Den klassiske strømretning er i samme retning som det elektriske feltet, dermed er gjelder den for begge lederne. Dette til tross for at de negative elektronene i virkeligheten beveger seg i motsatt retning (nederst). Positive ladninger vil derimot følge den klassiske strømretningen (øverst).
Illustrasjonen av klassisk strømretning og virkelig strømretning viser to segmenter av forskjellige materialer som leder strøm. I begge tilfellene virker det et elektrisk felt i én og samme retning og i begge tilfellene er feltet like stort. Et elektrisk felt har per definisjon retning fra positiv til negativ polaritet. Den øverste figuren viser et tilfelle med positive ladningsbærere, her markerer de små pilene på hver partikkel retningen til deres driftshastighet. I den nederste figuren er ladningsbæreren negative, og her ser en at hastigheten har retning mot feltets retning. Strømretningen er definert til å være den retningen som positive ladningsbærere ville ha hatt. Selv om en vet at en faktisk har å gjøre med ladningsbærere som ikke beveger seg i denne retningen, sier en at bevegelsen av strømmen er fra positiv til negativ polaritet, eller fra pluss- til minusterminalen for en spenningskilde. Altså er strømretningen mot høyre for begge figurene. Dette kalles for klassisk strømretning eller konvensjonell strømretning. I kretsanalyse spiller ikke denne definisjonen noen større rolle.Young og Freedman: University physics side 848.
Et annet forhold med den elektriske strømmen er at den ikke behandles som en vektorstørrelse, men som en skalar størrelse. Dette til tross for at det finnes en definisjon for strømmens retning i en leder. Elektrisk strøm beveger seg i samme retning som lederen uavhengig om den er rett eller har kurver. Ingen enkelt vektor kan alene beskrive bevegelse langs en kurvet bane, derfor kan ikke strøm være en vektor.
Driftshastighet og strømtetthet Anta at det i det øverste segmentet av en sylindrisk leder i illustrasjonen over er n frie ladningsbærere per volumenhet. Dette kan en kalle konsentrasjonen av ladninger, og måles i m-3. Det elektriske feltet E virker på disse i retningen som den store røde pilen viser. Hver av ladningene forutsettes å bevege seg med driftshastigheten vd. Dermed vil de i løpet av et lite tidsintervall dt ha beveget seg en lengde på . Lederen har videre et tverrsnitt med arealet A, dermed vil volumet av den lille sylinderen som partiklene har beveget seg i løpet av tiden dt være . Antallet ladninger som er inne i den lille sylinderen og som beveger seg gjennom den i løpet av tiden dt, er dermed . Når hver partikkel har en ladning på q, vil ladningen som går gjennom volumet i løpet av tiden dt væreYoung og Freedman: University physics side 848-849.
Strømmen er da