Wat is die elektriese stroom? Onthou eers, wat is die definisie van stroom wat ons geleer het?

Die rigtingbeweging van gelaaide deeltjies in ‘n geleier is eenvoudig ‘n elektriese stroom.

Only when a substance has charged particles that can move freely, it can transmit electric current—that is, conduct electricity. These charged particles that participate in conduction are called carriers. For metals, for example, only the outer electrons of atoms can act as carriers.

Die “rigtingbeweging” in die definisie van elektriese stroom word dikwels verkeerd verstaan. Baie mense dink dit verwys na beweging met ‘n sekere rigting, natuurlik nie! Verander die bewegingsrigting van die elektrone in die WS-kring nie?

Om die waarheid te sê, oriëntasie is relatief tot “willekeurige beweging”!

Aangesien elektrone mikroskopiese deeltjies is, moet hulle heeltyd in termiese beweging wees. Termiese beweging is ‘n ewekansige beweging, soos in die figuur hieronder getoon.

Hierdie beweging is eintlik baie vinnig. Byvoorbeeld, in metale by kamertemperatuur is die spoed van elektroniese termiese beweging in die orde van honderde kilometers per sekonde!

As jy noukeurig na hierdie ewekansige beweging kyk, sal jy vind dat die bewegingsrigting van elke deeltjie op enige oomblik ewekansig is. As jy die snelheidsvektore van hierdie deeltjies bymekaar tel, is die resultaat amper nul.

Now add an electric field to the conductor, and the electron superimposes a directional movement on the basis of random movement. Assuming that the electric field is to the left for a certain period of time, the movement of the electrons looks like the following. The red balls represent metal atoms on the crystal lattice, and the fast moving dots represent free electrons.

Lyk dit vinnig? Dit is omdat elektroniese beweging baie vinnig is! Maar in werklikheid dra die lukrake beweging, wat ‘n groot deel daarvan uitmaak, nie by tot die stroom nie. Wanneer die ewekansige beweging uitgeskakel word, is die res net soos die stadige voorkoms hieronder.

Inderdaad, die rigtingbeweging van elektrone is baie stadiger as die spoed van termiese beweging. Hierdie “maal” beweging van elektrone word drywing, of “dryf” genoem. Soms sal elektrone in die teenoorgestelde rigting loop as gevolg van botsings met atome. Maar oor die algemeen beweeg elektrone in een rigting.

As die elektriese veld van rigting verander, sal die rigting van elektrondrywing ook verander.

Daarom beteken hierdie soort rigtingbeweging dat die som van die snelhede van al die elektrone wat op ‘n sekere tyd aan die geleiding deelneem nie nul is nie, maar oor die algemeen in ‘n sekere rigting is. Hierdie rigting kan enige tyd verander word, en dit is die geval van wisselstroom.

Daarom is stroom nie soseer die “rigtingbeweging” van elektriese lading nie, maar dit is die “kollektiewe beweging” van elektriese lading.

Die grootte van die stroom in die geleier word uitgedruk deur die stroomintensiteit. Die stroomintensiteit word gedefinieer as die hoeveelheid elektrisiteit wat deur die deursnee van die geleier in ‘n tydseenheid gaan, naamlik

Ons het ‘n paar fisiese hoeveelhede geleer wat die woord “intensiteit” bevat, soos elektriese veldintensiteit en magnetiese induksie intensiteit. Hulle verteenwoordig gewoonlik die verdeling per eenheid tyd, eenheid area (of eenheid volume, eenheid soliede hoek). Die woord “intensiteit” in die huidige intensiteit weerspieël egter nie die huidige verdeling van die area nie.

Trouens, ‘n ander fisiese grootheid is verantwoordelik vir die verspreiding van stroom na area, wat stroomdigtheid is.

Aangesien die essensie van elektriese stroom die rigtingbeweging van elektriese lading is, moet daar ‘n sekere verband tussen stroomintensiteit en dryfspoed wees!

Om hierdie verband te verkry, moet ons eers ‘n konsep-draerkonsentrasie, dit wil sê die aantal draers in ‘n eenheidsvolume, wat deur  uitgedruk word, duidelik maak.

Daar word aanvaar dat die geleier-deursnit is, die draerkonsentrasie is, die dryfsnelheid is en die gelaaide lading is.

Then the charge in the conductor on the left side of the surface is, and these charges will pass through the surface within a certain period of time, so

Dit is ‘n mikroskopiese uitdrukking van stroomintensiteit.

Stroomdigtheid is die verdeling van stroom na area, dus die grootte van stroomdigtheid is, maar dit word gedefinieer as ‘n vektor, en die rigting is die rigting van die dryfsnelheidsvektor van die positief gelaaide draers, dus die drywing van elektrone in die metaal kan verkry word vanaf hierdie Speed, as ‘n voorbeeld hieronder.

Beskou ‘n koperdraad, met die veronderstelling dat elke koperatoom ‘n elektron as ‘n draer bydra. Daar is 1 mol koper, sy volume is, molêre massa is, digtheid is, dan is die draerkonsentrasie van die koperdraad

Waar is Avogadro se konstante. Die digtheid van koper word gevind, en die waarde verkry deur vervanging is ongeveer eenheid/kubieke meter.

As aanvaar word dat die radius van die koperdraad 0.8 mm is, is die stroom wat vloei 15A, =1.6 C, en word die dryfsnelheid van elektrone bereken as

Dit kan gesien word dat die dryfspoed van elektrone inderdaad baie klein is.

For those who study circuits, the above is the complete definition of current.

But in physics, the above definition of current is actually only a narrow definition. More general currents are not limited to conductors, as long as the movement of electric charges is current. For example, when the electrons of a hydrogen atom move around the nucleus, an electric current is formed in its orbit.

Gestel die hoeveelheid elektroniese lading is en die tydperk van beweging is. Elke keer wat dit verloop, is daar so ‘n groot hoeveelheid lading wat deur enige dwarssnit van die lus gaan, so die stroomintensiteit is gebaseer op die verband tussen periode, frekwensie en hoeksnelheid, en die stroom kan ook uitgedruk word as

Vir ‘n ander voorbeeld, ‘n gelaaide metaalskyf, wat om sy as draai, vorm ook lusstrome met verskillende radiusse.

This kind of current is not a normal conduction current and cannot generate Joule heat! Can not form a real circuit.

Anders, sal jy vir my ‘n berekening gee van hoeveel joule-hitte per sekonde deur die elektrone van die waterstofatoom opgewek word?

Trouens, die stroom in vakuum voldoen nie aan Ohm se wet nie. Want vir die elektriese stroom wat gevorm word deur die beweging van gelaaide deeltjies in die vakuum, word die draers nie soortgelyk aan die rooster in die metaal gebots nie, dus het die vakuum geen weerstand en geen geleiding nie.

The movement of electric charges generates electric current, and the electric charge itself excites the electric field. This is easy to cause a misunderstanding. Many people therefore think that the electric field of the charged particles that form the electric current must be exposed. But in fact, for the conduction current in a general conductor, carriers flow on a background composed of a large number of positively charged metal ions, and the conductor itself is neutral!

Ons noem hierdie soort spesiale stroom dikwels ‘n “ekwivalente stroom”. Die ekwivalent hier beteken dat dit ‘n magnetiese veld op dieselfde basis as ‘n gewone geleidingstroom genereer!

Onthou: Moenie die “ekwivalente stroom” hier met die “ekwivalente stroombaan” in stroombaananalise verwar nie

Trouens, toe ons die eerste keer die magnetiese veld bestudeer het, was die elektriese stroom in Biot-Saffar se wet die algemene elektriese stroom wat hierdie ekwivalente stroom bevat het. Natuurlik verwys die geleidingstroom in Maxwell se vergelykings ook na die veralgemeende stroom.

Diegene wat die foto-elektriese effek bestudeer het, weet dat wanneer die foto-elektron van die katode na die anode dryf, as die invloed van lug geïgnoreer word, hierdie stroom veroorsaak word deur die beweging van elektriese ladings in die vakuum, en daar is geen weerstand nie, dus word nie deur Ohm se wet beperk nie.

So, is dit die enigste ding oor elektriese stroom in fisika?

No! There are also two types, namely magnetizing current and displacement current.

They are also two equivalent currents, which, as the name suggests, are also introduced to explain magnetism. In other words, they have broken away from the basic characteristic of the current “charge movement”!

Dis ongelooflik! Daar is geen elektriese ladingbeweging nie, so hoekom kan dit ‘n elektriese stroom genoem word?

Moenie bekommerd wees nie, en luister stadig na my.

Kom ons kyk eers na die magnetiserende stroom.

Daar is gevind dat magnetisme deur die beweging van elektrisiteit veroorsaak word (met inagneming van die verduideliking van magnetisme deur die intrinsieke eienskappe van spin vir die oomblik). Om natuurlike magnetisme te verduidelik, het die Franse fisikus Ampere die hipotese van “molekulêre sirkulasie” voorgehou.

Soos in die figuur hieronder getoon, kan enige atoom of molekule beskou word as ‘n elektriese lading wat om die middel draai en ‘n klein lusstroom vorm, dit wil sê “molekulêre sirkulasie”.

Volgens die wet dat die elektriese stroom die magnetiese veld opwek, sal hierdie molekulêre sirkulasie ‘n fisiese grootheid produseer wat magnetiese moment genoem word. Die grootte daarvan is die area wat deur die molekulêre sirkulasie omring word vermenigvuldig met die ekwivalente stroom van die molekulêre sirkulasie, en sy rigting is in ‘n regshandige spiraalverhouding met die rigting van die sirkulasie, nl.

Uiteraard is die rigting van die magnetiese moment presies in die rigting van die magnetiese veld wat deur die sirkulerende stroom gevorm word

.

Under normal circumstances, the arrangement of the molecular circulation of a substance is chaotic, so the substance is not magnetic, as shown on the left side of the figure below. When subjected to an external magnetic field, these molecular circulations will be approximately neatly arranged. As shown on the right side of the figure below, their magnetic moments are arranged in one direction as much as possible, just like countless small magnetic needles gathered together to form a total magnetic field, and the whole material composed of them becomes magnetic.

Gestel daar is ‘n silindriese magneet, die binneste molekulêre sirkulasie is netjies gerangskik, en die gedeeltes van elke molekulêre sirkulasie aan die rand van die magneetgedeelte word aan mekaar verbind om ‘n groot sirkulasie te vorm, soos in die figuur hieronder getoon.

Op grond hiervan kan ons dink dat ‘n staafmagneet soos ‘n bekragtigde solenoïde is. Met ander woorde, daar is ‘n onsigbare stroom verstrengel op die oppervlak van die magneet! Hierdie soort stroom kan nie gekoppel en gebruik word nie. Dit is beperk tot die oppervlak van die magneet. Ons noem dit “bindende stroom” of “magnetiserende stroom”.

Therefore, the magnetizing current is a current, because it is the same as the current formed by the movement of real electric charges, which can equivalently generate a magnetic field!

Let’s look at the displacement current again.

Volgens die Ampere se lusstelling is die integraal van die magneetveldsterkte op ‘n geslote pad gelyk aan die vloed van die stroomdigtheid op enige geboë oppervlak wat deur hierdie pad begrens word, dit wil sê, hierdie stelling word Stokes se stelling in wiskunde genoem. Dit sê vir ons dat die integraal van ‘n vektor langs enige geslote pad gelyk moet wees aan die vloed van sy krul (hier) na enige oppervlak wat deur die geslote pad begrens word.

Aangesien dit ‘n wiskundige stelling is, moet dit altyd korrek wees, want wiskunde is ‘n logiese sisteem wat op aksiomas gebaseer is.

Daarom moet die Ampere-lusstelling altyd geld!

Die talentvolle Skotse fisikus Maxwell het egter ontdek dat wanneer ‘n onstabiele stroombaan te staan ​​kom, die Ampere-lusstelling teenstrydig was.

Die tipiese onstabiele stroom vind plaas tydens die laai en ontlading van die kapasitor. Soos in die figuur hieronder getoon, is daar ‘n onstabiele stroom gedurende die kort tydperk van kapasitorlaai.

Maar die stroombaan is ontkoppel tussen die kapasitorplate, wat ‘n ernstige probleem sal veroorsaak.

Gestel ons beskou ‘n geslote pad wat die draad omseil, soos in die figuur hieronder getoon, die sirkel gemerk deur C, en die geboë oppervlak daarmee as die grens kan arbitrêr gekies word. In die figuur word die sirkelvormige vlak wat deur C self en oor die kapasitor omring word, gekies. Die geboë oppervlak van die linkerplaat.

Volgens die sirkelvormige oppervlak kan gesien word dat volgens die geboë oppervlak, maar as ‘n lusintegraal van die magneetveldsterkte, die waarde daarvan bepaal moet word!

Hoe om te doen?

Maxwell believes that the Ampere’s loop theorem must be established. Now that there is a problem, it must be because a part of the current has not been discovered by us before, but it does exist!

So, how to find out this part of the current?

Aangesien die probleem tussen die plate is, begin van tussen die plate.

Deur ontleding het Maxwell gevind dat ongeag van laai of ontlading, daar te alle tye ‘n fisiese hoeveelheid tussen die kapasitorplate is wat gesinchroniseer is met die grootte en rigting van die stroom. Dit is die tydafgeleide van die vloed van die elektriese verplasingsvektor, dit wil sê, dit word gedefinieer as die verplasingsstroom.

As daar in ag geneem word dat hierdie deel die deel van die stroom is wat nie voorheen ontdek is nie, dan is die volledige stroom nou. Dit wil sê, alhoewel die stroombaan tussen die plate ontkoppel is, verseker die afgeleide van die elektriese verplasingsvloed en die som van die stroom saam, as ‘n geheel, die kontinuïteit van die stroom te alle tye.

Going back to the previous contradiction, we now know that, according to the requirements of Stokes’ theorem, when calculating the flux of current density for a closed surface, the density of displacement current should also be considered, that is, the complete ampere loop theorem is therefore, By “discovering” this new current component, the crisis of the Ampere Loop Theorem is resolved!

Die rede waarom “inleiding” nie hier gebruik word nie, maar “ontdekking” word hier gebruik. Wat ek wil beklemtoon is dat hierdie soort stroom nie ‘n wiskundige vergoeding is nie, maar ‘n regte ding, maar dit is nog nie voorheen ontdek nie.

Why does it exist in the first place? Because it acts as an electric current, like a conduction current, it excites a magnetic field equivalently, except that there is no movement of electric charges, no wire is required, and no Joule heat can be generated, so it has been ignored!

But it actually exists by itself, just keep a low profile, it has been silently exciting the magnetic field there all the time!

Met ander woorde, wanneer ons ‘n magnetiese veld in die gesig staar, is die oorspronklike definisie van stroom te nou. Die essensie van elektriese stroom is nie die beweging van elektriese lading nie, dit moet iets wees wat ‘n magnetiese veld kan prikkel.

Tot dusver is die verskeie vorme van stroom bekendgestel. Hulle bestaan ​​almal objektief, en wat hulle gemeen het, is dat alle strome die magneetveld ewe kan opwek.