ما هو التيار الكهربائي؟ تذكر أولاً ، ما هو تعريف التيار الذي تعلمناه؟

بكل بساطة ، الحركة الاتجاهية للجسيمات المشحونة في الموصل هي تيار كهربائي.

فقط عندما تحتوي مادة ما على جسيمات مشحونة يمكنها التحرك بحرية ، يمكنها نقل التيار الكهربائي – أي توصيل الكهرباء. تسمى هذه الجسيمات المشحونة التي تشارك في التوصيل بالناقلات. بالنسبة للمعادن ، على سبيل المثال ، يمكن فقط للإلكترونات الخارجية للذرات أن تعمل كناقلات.

غالبًا ما يُساء فهم “الحركة الاتجاهية” في تعريف التيار الكهربائي. يعتقد كثير من الناس أنه يشير إلى حركة ذات اتجاه معين ، بالطبع لا! ألا يتغير اتجاه حركة الإلكترونات في دائرة التيار المتردد؟

في الواقع ، التوجيه هو نسبة إلى “الحركة العشوائية”!

نظرًا لأن الإلكترونات عبارة عن جسيمات مجهرية ، فيجب أن تكون في حركة حرارية طوال الوقت. الحركة الحرارية هي حركة عشوائية ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

هذه الحركة في الواقع سريعة جدا. على سبيل المثال ، في المعادن في درجة حرارة الغرفة ، تكون سرعة الحركة الحرارية الإلكترونية في حدود مئات الكيلومترات في الثانية!

إذا نظرت عن كثب إلى هذه الحركة العشوائية ، ستجد أن اتجاه حركة كل جسيم عشوائي في أي لحظة. إذا جمعت متجهات السرعة لهذه الجسيمات ، فستكون النتيجة صفرًا تقريبًا.

أضف الآن حقلاً كهربائيًا للموصل ، ويقوم الإلكترون بفرض حركة اتجاهية على أساس الحركة العشوائية. بافتراض أن المجال الكهربائي على اليسار لفترة زمنية معينة ، تبدو حركة الإلكترونات كما يلي. تمثل الكرات الحمراء ذرات معدنية على الشبكة البلورية ، وتمثل النقاط سريعة الحركة الإلكترونات الحرة.

هل تبدو سريعة؟ ذلك لأن الحركة الإلكترونية سريعة حقًا! لكن في الواقع ، فإن الحركة العشوائية ، التي تمثل نسبة كبيرة منها ، لا تساهم في التيار. عندما يتم التخلص من الحركة العشوائية ، يكون الباقي مثل النظرة البطيئة أدناه.

في الواقع ، فإن الحركة الاتجاهية للإلكترونات أبطأ بكثير من سرعة الحركة الحرارية. تسمى حركة “الطحن” للإلكترونات بالانحراف أو “الانجراف”. في بعض الأحيان ، تعمل الإلكترونات في الاتجاه المعاكس بسبب اصطدامها بالذرات. لكن بشكل عام ، تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد.

إذا غير المجال الكهربائي اتجاهه ، سيتغير اتجاه انجراف الإلكترون أيضًا.

لذلك ، فإن هذا النوع من الحركة الاتجاهية يعني أن مجموع سرعات جميع الإلكترونات المشاركة في التوصيل في وقت معين ليس صفرًا ، ولكنه عمومًا في اتجاه معين. يمكن تغيير هذا الاتجاه في أي وقت ، وهذه هي حالة التيار المتردد.

لذلك ، التيار ليس “حركة اتجاهية” للشحنة الكهربائية بقدر ما هو “حركة جماعية” للشحنة الكهربائية.

يتم التعبير عن مقدار التيار في الموصل من خلال شدة التيار. يتم تعريف شدة التيار على أنها مقدار الكهرباء التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل في وحدة زمنية ، أي

We have learned some physical quantities that contain the word “intensity”, such as electric field intensity and magnetic induction intensity. They generally represent the apportionment per unit time, unit area (or unit volume, unit solid angle). However, the word “intensity” in the current intensity does not reflect the current apportionment of the area.

In fact, another physical quantity is responsible for the distribution of current to area, which is current density.

نظرًا لأن جوهر التيار الكهربائي هو الحركة الاتجاهية للشحنة الكهربائية ، فلا بد من وجود علاقة معينة بين شدة التيار وسرعة الانجراف!

من أجل الحصول على هذه العلاقة ، يجب علينا أولاً توضيح تركيز مفهوم الناقل ، أي عدد الموجات الحاملة في حجم وحدة ، والذي يتم التعبير عنه بواسطة .

من المفترض أن المقطع العرضي للموصل هو ، وتركيز الناقل ، وسرعة الانجراف ، والشحنة المشحونة.

ثم تكون الشحنة في الموصل على الجانب الأيسر من السطح ، وسوف تمر هذه الشحنات عبر السطح خلال فترة زمنية معينة ، لذلك

هذا تعبير مجهري عن شدة التيار.

كثافة التيار هي تقسيم التيار إلى المنطقة ، وبالتالي فإن حجم كثافة التيار هو ، ولكن يتم تعريفه على أنه متجه ، والاتجاه هو اتجاه متجه سرعة الانجراف للحوامل الموجبة الشحنة ، وبالتالي فإن انجراف الإلكترونات في يمكن الحصول على المعدن من هذه السرعة ، كمثال أدناه.

ضع في اعتبارك سلكًا نحاسيًا ، بافتراض أن كل ذرة نحاسية تساهم بإلكترون كحامل. يوجد 1 مول من النحاس ، حجمه ، الكتلة المولية هي ، الكثافة ، ثم تركيز الناقل للسلك النحاسي هو

Where is Avogadro’s constant. The density of copper is found, and the value obtained by substituting is about unit/cubic meter.

بافتراض أن نصف قطر السلك النحاسي يبلغ 0.8 مم ، وأن التدفق الحالي يساوي 15A ، = 1.6 درجة مئوية ، ويتم حساب سرعة انجراف الإلكترونات على النحو التالي

يمكن ملاحظة أن سرعة انجراف الإلكترونات صغيرة جدًا بالفعل.

بالنسبة لأولئك الذين يدرسون الدوائر ، ما سبق هو التعريف الكامل للتيار.

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.

Suppose the amount of electronic charge is and the period of movement is. Then every time that elapses, there is such a large amount of charge passing through any cross section of the loop, so the current intensity is based on the relationship between period, frequency and angular velocity, and the current can also be expressed as

على سبيل المثال ، القرص المعدني المشحون ، الذي يدور حول محوره ، يشكل أيضًا تيارات حلقة ذات أنصاف أقطار مختلفة.

هذا النوع من التيار ليس تيار توصيل عادي ولا يمكنه توليد حرارة جول! لا يمكن تشكيل دائرة حقيقية.

وإلا ، هل ستعطيني حسابًا لمقدار حرارة الجول التي تولدها إلكترونات ذرة الهيدروجين في الثانية؟

في الواقع ، التيار في الفراغ لا يرضي قانون أوم. لأنه بالنسبة للتيار الكهربائي الناتج عن حركة الجسيمات المشحونة في الفراغ ، فإن الحاملات لا تصطدم بشكل مشابه للشبكة في المعدن ، وبالتالي فإن الفراغ ليس له مقاومة ولا موصلة.

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!

غالبًا ما نطلق على هذا النوع من التيار الخاص “التيار المكافئ”. المكافئ هنا يعني أنه يولد مجالًا مغناطيسيًا على نفس الأساس مثل تيار التوصيل العادي!

تذكير: لا تخلط بين “التيار المكافئ” هنا و “الدائرة المكافئة” في تحليل الدائرة

In fact, when we first studied the magnetic field, the electric current in Biot-Saffar’s law was the generalized electric current that contained this equivalent current. Of course, the conduction current in Maxwell’s equations also refers to the generalized current.

أولئك الذين درسوا التأثير الكهروضوئي يعرفون أنه عندما ينجرف الإلكترون الضوئي من القطب السالب إلى القطب الموجب ، إذا تم تجاهل تأثير الهواء ، فإن هذا التيار ناتج عن حركة الشحنات الكهربائية في الفراغ ، ولا توجد مقاومة ، لذلك غير مقيد بقانون أوم.

إذن ، هل هذا هو الشيء الوحيد الذي يتعلق بالتيار الكهربائي في الفيزياء؟

لا! هناك نوعان أيضًا ، وهما تيار التمغنط وتيار الإزاحة.

وهما أيضًا تياران متكافئان ، كما يوحي الاسم ، يتم تقديمهما أيضًا لشرح المغناطيسية. بمعنى آخر ، لقد انفصلوا عن السمة الأساسية “لحركة الشحن” الحالية!

That’s amazing! There is no electric charge movement, so why can it be called an electric current?

لا تقلق ، واستمع إلي ببطء.

لنلقِ نظرة على تيار التمغنط أولاً.

لقد وجد أن المغناطيسية ناتجة عن حركة الكهرباء (دون مراعاة تفسير المغناطيسية بالخصائص الجوهرية لللف في الوقت الحالي). من أجل تفسير المغناطيسية الطبيعية ، طرح الفيزيائي الفرنسي أمبير فرضية “الدورة الجزيئية”.

As shown in the figure below, any atom or molecule can be regarded as having an electric charge rotating around the center, forming a tiny loop current, that is, “molecular circulation”.

وفقًا لقانون أن التيار الكهربائي يثير المجال المغناطيسي ، فإن هذا الدوران الجزيئي سينتج كمية فيزيائية تسمى العزم المغناطيسي. حجمها هو المنطقة المحاطة بالدوران الجزيئي مضروبًا في التيار المكافئ للدورة الجزيئية ، ويكون اتجاهها في علاقة لولبية يمنى مع اتجاه الدورة الدموية ، أي

من الواضح أن اتجاه اللحظة المغناطيسية يكون بالضبط على طول اتجاه المجال المغناطيسي الذي يتكون من التيار المتداول

.

في ظل الظروف العادية ، يكون ترتيب الدورة الجزيئية للمادة فوضوياً ، وبالتالي فإن المادة ليست مغناطيسية ، كما هو موضح على الجانب الأيسر من الشكل أدناه. عند التعرض لمجال مغناطيسي خارجي ، سيتم ترتيب هذه التدفقات الجزيئية بدقة تقريبًا. كما هو موضح على الجانب الأيمن من الشكل أدناه ، يتم ترتيب لحظاتهم المغناطيسية في اتجاه واحد قدر الإمكان ، تمامًا مثل عدد لا يحصى من الإبر المغناطيسية الصغيرة التي تم تجميعها معًا لتشكيل مجال مغناطيسي إجمالي ، وتصبح المادة الكاملة المكونة منها مغناطيسية.

لنفترض أن هناك مغناطيسًا أسطوانيًا ، والدوران الجزيئي الداخلي منظم بدقة ، وأن أقسام كل دورة جزيئية على حافة قسم المغناطيس متصلة ببعضها البعض لتكوين دوران كبير ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

بناءً على ذلك ، يمكننا أن نعتقد أن قضيب المغناطيس يشبه الملف اللولبي النشط. بمعنى آخر ، يوجد تيار غير مرئي متشابك على سطح المغناطيس! لا يمكن توصيل هذا النوع من التيار واستخدامه. يقتصر على سطح المغناطيس. نسميها “تيار ملزم” أو “تيار ممغنط”.

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!

لنلق نظرة على تيار الإزاحة مرة أخرى.

وفقًا لنظرية حلقة Ampere ، فإن تكامل شدة المجال المغناطيسي على مسار مغلق يساوي تدفق كثافة التيار على أي سطح منحني يحده هذا المسار ، أي أن هذه النظرية تسمى نظرية ستوكس في الرياضيات. يخبرنا أن تكامل المتجه على طول أي مسار مغلق يجب أن يكون مساويًا لتدفق تجعيده (هنا) لأي سطح يحده مسار مغلق.

نظرًا لأنها نظرية رياضية ، يجب أن تكون دائمًا صحيحة ، لأن الرياضيات نظام منطقي قائم على البديهيات.

لذلك ، يجب أن تصمد نظرية حلقة أمبير دائمًا!

ومع ذلك ، اكتشف الفيزيائي الاسكتلندي الموهوب ماكسويل أنه عند مواجهة دائرة تيار غير مستقرة ، كانت نظرية حلقة أمبير متناقضة.

يحدث التيار غير المستقر النموذجي أثناء شحن وتفريغ المكثف. كما هو موضح في الشكل أدناه ، يوجد تيار غير مستقر خلال الفترة القصيرة لشحن المكثف.

لكن الدائرة مفصولة بين لوحات المكثف ، مما سيؤدي إلى مشكلة خطيرة.

لنفترض أننا اعتبرنا مسارًا مغلقًا يتجاوز السلك ، كما هو موضح في الشكل أدناه ، يمكن تحديد الدائرة المميزة بعلامة C والسطح المنحني بها كحدود بشكل تعسفي. في الشكل ، تم تحديد المستوى الدائري المحاط بـ C نفسه وعبر المكثف. السطح المنحني للوحة اليسرى.

وفقًا للسطح الدائري ، يمكن ملاحظة أنه وفقًا للسطح المنحني ، ولكن باعتبارها حلقة لا يتجزأ من شدة المجال المغناطيسي ، يجب تحديد قيمتها!

كيف تفعل؟

يعتقد ماكسويل أنه يجب إنشاء نظرية حلقة أمبير. الآن بعد أن حدثت مشكلة ، يجب أن يكون ذلك بسبب عدم اكتشافنا لجزء من التيار من قبل ، ولكنه موجود بالفعل!

إذًا ، كيف تكتشف هذا الجزء من التيار؟

بما أن المشكلة بين الألواح ، ابدأ من بين الألواح.

من خلال التحليل ، وجد ماكسويل أنه بغض النظر عن الشحن أو التفريغ ، هناك كمية مادية بين ألواح المكثف في جميع الأوقات تتم مزامنتها مع حجم واتجاه التيار. إنه المشتق الزمني لتدفق متجه الإزاحة الكهربائية ، أي أنه يُعرَّف على أنه تيار الإزاحة.

إذا اعتبر أن هذا الجزء هو جزء التيار الذي لم يتم اكتشافه من قبل ، فإن التيار الكامل هو الآن. وهذا يعني أنه على الرغم من فصل الدائرة بين الألواح ، فإن مشتق تدفق الإزاحة الكهربائية ومجموع التيار معًا ، ككل ، يضمن استمرارية التيار في جميع الأوقات.

بالعودة إلى التناقض السابق ، نعلم الآن أنه وفقًا لمتطلبات نظرية ستوكس ، عند حساب تدفق كثافة التيار لسطح مغلق ، يجب أيضًا مراعاة كثافة تيار الإزاحة ، أي حلقة الأمبير الكاملة لذلك فإن النظرية هي ، من خلال “اكتشاف” هذا المكون الحالي الجديد ، يتم حل أزمة نظرية حلقة أمبير!

سبب عدم استخدام كلمة “مقدمة” هنا ، ولكن يتم استخدام كلمة “اكتشاف” هنا. ما أريد التأكيد عليه هو أن هذا النوع من التيار ليس تعويضًا رياضيًا ، ولكنه شيء حقيقي ، لكن لم يتم اكتشافه من قبل.

لماذا هي موجودة في المقام الأول؟ نظرًا لأنه يعمل كتيار كهربائي ، مثل تيار التوصيل ، فإنه يثير مجالًا مغناطيسيًا بشكل مكافئ ، باستثناء أنه لا توجد حركة للشحنات الكهربائية ، ولا يلزم وجود سلك ، ولا يمكن توليد حرارة جول ، لذلك تم تجاهلها!

لكنه موجود في الواقع من تلقاء نفسه ، فقط ابقِ بعيدًا عن الأنظار ، فقد كان يثير المجال المغناطيسي بصمت هناك طوال الوقت!

بمعنى آخر ، عندما نواجه مجالًا مغناطيسيًا ، يكون التعريف الأصلي للتيار ضيقًا جدًا. إن جوهر التيار الكهربائي ليس حركة الشحنة الكهربائية ، بل يجب أن يكون شيئًا يمكن أن يثير مجالًا مغناطيسيًا.

حتى الآن ، تم إدخال العديد من أشكال التيار. جميعهم موجودون بشكل موضوعي ، والقاسم المشترك بينهم هو أن جميع التيارات يمكن أن تثير المجال المغناطيسي بشكل متساوٍ.