Elektrik cərəyanı nədir? Əvvəlcə xatırlayaq ki, öyrəndiyimiz cərəyanın tərifi nədir?

Sadəcə olaraq, bir keçiricidə yüklü hissəciklərin istiqamətli hərəkəti elektrik cərəyanıdır.

Yalnız bir maddə sərbəst hərəkət edə bilən yüklü hissəciklərə malik olduqda, elektrik cərəyanını ötürə bilər, yəni elektrik cərəyanını keçirə bilər. Keçirilmədə iştirak edən bu yüklü hissəciklər daşıyıcı adlanır. Məsələn, metallar üçün yalnız atomların xarici elektronları daşıyıcı kimi çıxış edə bilər.

Elektrik cərəyanının tərifindəki “istiqamətli hərəkət” çox vaxt səhv başa düşülür. Bir çox insanlar bunun müəyyən bir istiqamətdə hərəkətə aid olduğunu düşünür, əlbəttə ki, yox! AC dövrəsində elektronların hərəkət istiqaməti dəyişmirmi?

In fact, orienteering is relative to “random movement”!

Elektronlar mikroskopik hissəciklər olduğundan, onlar daim istilik hərəkətində olmalıdırlar. İstilik hərəkəti aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi təsadüfi bir hərəkətdir.

Bu hərəkət əslində çox sürətlidir. Məsələn, metallarda otaq temperaturunda elektron istilik hərəkətinin sürəti saniyədə yüzlərlə kilometrə çatır!

If you look closely at this random movement, you will find that the direction of movement of each particle is random at any moment. If you add up the velocity vectors of these particles, the result is almost zero.

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.

Sürətli görünür? Bunun səbəbi elektron hərəkətin həqiqətən sürətli olmasıdır! Amma əslində onun böyük bir hissəsini təşkil edən təsadüfi hərəkət cərəyana kömək etmir. Təsadüfi hərəkət aradan qaldırıldıqda, qalanları aşağıdakı yavaş görünüş kimidir.

Həqiqətən, elektronların istiqamətli hərəkəti istilik hərəkətinin sürətindən çox yavaşdır. Elektronların bu “daşlama” hərəkətinə sürüşmə və ya “drift” deyilir. Bəzən atomlarla toqquşma nəticəsində elektronlar əks istiqamətdə hərəkət edir. Amma ümumilikdə elektronlar bir istiqamətdə hərəkət edir.

Elektrik sahəsinin istiqaməti dəyişərsə, elektron sürüşmə istiqaməti də dəyişəcəkdir.

Buna görə də bu cür istiqamətli hərəkət o deməkdir ki, müəyyən bir zamanda keçiricilikdə iştirak edən bütün elektronların sürətlərinin cəmi sıfır deyil, ümumiyyətlə müəyyən bir istiqamətdədir. Bu istiqamət istənilən vaxt dəyişdirilə bilər və bu, alternativ cərəyanın vəziyyətidir.

Therefore, current is not so much the “directional movement” of electric charge as it is the “collective movement” of electric charge.

Keçiricidəki cərəyanın böyüklüyü cərəyan intensivliyi ilə ifadə edilir. Cari intensivlik vahid zamanda keçiricinin kəsişməsindən keçən elektrik miqdarı kimi müəyyən edilir, yəni

Biz elektrik sahəsinin intensivliyi və maqnit induksiyası intensivliyi kimi “intensivlik” sözünü ehtiva edən bəzi fiziki kəmiyyətləri öyrəndik. Onlar ümumiyyətlə vaxt vahidinə, vahid sahəyə (yaxud vahid həcmə, vahid bərk bucağa) bölünməni təmsil edir. Bununla belə, cari intensivlikdəki “intensivlik” sözü ərazinin cari bölgüsünü əks etdirmir.

Əslində, cərəyanın sahəyə paylanması üçün başqa bir fiziki kəmiyyət cavabdehdir, bu cərəyan sıxlığıdır.

Since the essence of electric current is the directional movement of electric charge, there must be a certain relationship between current intensity and drift speed!

Bu əlaqəni əldə etmək üçün ilk növbədə konsept-daşıyıcı konsentrasiyasını, yəni  ilə ifadə olunan vahid həcmdə daşıyıcıların sayını aydınlaşdırmalıyıq.

Güman edilir ki, keçiricinin en kəsiyi, daşıyıcının konsentrasiyası, sürüşmə sürəti və yüklü yükdür.

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

Bu cərəyan intensivliyinin mikroskopik ifadəsidir.

Cari sıxlıq cərəyanın sahəyə paylanmasıdır, buna görə də cərəyan sıxlığının böyüklüyü belədir, lakin vektor kimi müəyyən edilir və istiqamət müsbət yüklü daşıyıcıların sürüşmə sürətinin vektorunun istiqamətidir, beləliklə elektronların sürüşməsi metal bu Sürətdən aşağıdakı nümunə kimi əldə edilə bilər.

Consider a copper wire, assuming that each copper atom contributes an electron as a carrier. There is 1 mol of copper, its volume is, molar mass is, density is, then the carrier concentration of the copper wire is

Avogadro sabiti haradadır. Misin sıxlığı tapılır və əvəz etməklə əldə edilən dəyər vahid/kubmetrə yaxındır.

Mis naqilin radiusunun 0.8 mm olduğunu fərz etsək, axan cərəyan 15A, =1.6 C, elektronların sürüşmə sürəti isə belə hesablanır.

Görünür ki, elektronların sürüşmə sürəti həqiqətən çox kiçikdir.

Sxemləri öyrənənlər üçün yuxarıdakılar cərəyanın tam tərifidir.

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.

Tutaq ki, elektron yükün miqdarı və hərəkət müddəti. Sonra hər dəfə keçəndə döngənin istənilən kəsişməsindən belə böyük miqdarda yük keçir, ona görə də cari intensivlik dövr, tezlik və bucaq sürəti arasındakı əlaqəyə əsaslanır və cərəyan da belə ifadə edilə bilər.

For another example, a charged metal disk, rotating around its axis, also forms loop currents with different radii.

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

Əks halda, hidrogen atomunun elektronları tərəfindən saniyədə nə qədər joule istilik əmələ gəldiyinin hesabını verərdiniz?

Əslində, vakuumdakı cərəyan Ohm qanununu təmin etmir. Çünki yüklü hissəciklərin vakuumda hərəkəti nəticəsində yaranan elektrik cərəyanı üçün daşıyıcılar metaldakı qəfəsə bənzər toqquşmadığından vakuumun müqaviməti və keçiriciliyi yoxdur.

Elektrik yüklərinin hərəkəti elektrik cərəyanı yaradır və elektrik yükünün özü elektrik sahəsini həyəcanlandırır. Bu, anlaşılmazlığa səbəb olmaq asandır. Buna görə də bir çox insanlar elektrik cərəyanını meydana gətirən yüklü hissəciklərin elektrik sahəsinin açıq olması lazım olduğunu düşünür. Ancaq əslində, ümumi bir keçiricidə keçirici cərəyan üçün daşıyıcılar çox sayda müsbət yüklü metal ionlarından ibarət bir fonda axır və dirijorun özü neytraldır!

Biz çox vaxt bu cür xüsusi cərəyanı “ekvivalent cərəyan” adlandırırıq. Buradakı ekvivalent o deməkdir ki, o, adi keçirici cərəyanla eyni əsasda maqnit sahəsi yaradır!

Xatırlatma: Burada “ekvivalent cərəyan”ı dövrə təhlilində “ekvivalent dövrə” ilə qarışdırmayın

Əslində, biz maqnit sahəsini ilk dəfə tədqiq etdiyimiz zaman, Biot-Saffar qanunundakı elektrik cərəyanı bu ekvivalent cərəyanı ehtiva edən ümumiləşdirilmiş elektrik cərəyanı idi. Təbii ki, Maksvell tənliklərindəki keçirici cərəyan da ümumiləşdirilmiş cərəyana aiddir.

Those who have studied the photoelectric effect know that when the photoelectron drifts from the cathode to the anode, if the influence of air is ignored, this current is caused by the movement of electric charges in the vacuum, and there is no resistance, so it is not restricted by Ohm’s law.

So, is this the only thing about electric current in physics?

Yox! Həmçinin iki növ var, yəni maqnitləşmə cərəyanı və yerdəyişmə cərəyanı.

Onlar həm də adından göründüyü kimi, maqnitizmi izah etmək üçün təqdim olunan iki ekvivalent cərəyandır. Başqa sözlə, onlar indiki “yük hərəkəti”nin əsas xüsusiyyətindən ayrılıblar!

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

Narahat olmayın və yavaş-yavaş məni dinləyin.

Əvvəlcə maqnitləşmə cərəyanına baxaq.

Müəyyən edilmişdir ki, maqnitizm elektrik cərəyanının hərəkətindən qaynaqlanır (bu anda maqnitizmin spinin daxili xassələri ilə izahını nəzərə almasaq). Fransız fiziki Amper təbii maqnetizmi izah etmək üçün “molekulyar dövriyyə” fərziyyəsini irəli sürdü.

Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, hər hansı bir atom və ya molekul mərkəz ətrafında fırlanan, kiçik bir dövrə cərəyanı, yəni “molekulyar dövran” meydana gətirən elektrik yükü kimi qəbul edilə bilər.

Elektrik cərəyanının maqnit sahəsini həyəcanlandırdığı qanununa görə, bu molekulyar dövriyyə maqnit momenti adlanan fiziki kəmiyyət yaradacaq. Onun ölçüsü molekulyar dövranın ekvivalent cərəyanına vurulan molekulyar dövriyyə ilə əhatə olunan sahədir və istiqaməti dövranın istiqaməti ilə sağ əlli spiral əlaqədədir, yəni

Obviously, the direction of the magnetic moment is exactly along the direction of the magnetic field formed by the circulating current

.

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.

Suppose there is a cylindrical magnet, the inner molecular circulation is neatly arranged, and the sections of each molecular circulation at the edge of the magnet section are connected together to form a large circulation, as shown in the figure below.

Buna əsaslanaraq, çubuqlu maqnitin enerjili solenoid kimi olduğunu düşünə bilərik. Başqa sözlə desək, maqnitin səthində dolanmış görünməz bir cərəyan var! Bu cür cərəyan birləşdirilə və istifadə edilə bilməz. O, maqnitin səthi ilə məhdudlaşır. Biz buna “bağlayıcı cərəyan” və ya “maqnitləşmə cərəyanı” deyirik.

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!

Yenidən yerdəyişmə cərəyanına baxaq.

Amperin döngə teoreminə görə, qapalı yolda maqnit sahəsinin şiddətinin inteqralı bu yol ilə məhdudlaşan istənilən əyri səthdə cərəyan sıxlığının axınına bərabərdir, yəni bu teorem riyaziyyatda Stoks teoremi adlanır. Bu, bizə deyir ki, vektorun hər hansı qapalı yol boyunca inteqralı onun qıvrımının (burada) qapalı yol ilə məhdudlaşan istənilən səthə axınına bərabər olmalıdır.

Riyaziyyat teorem olduğu üçün həmişə düzgün olmalıdır, çünki riyaziyyat aksiomalara əsaslanan məntiqi sistemdir.

Buna görə də, Amper Döngəsi Teoremi həmişə saxlanmalıdır!

However, the talented Scottish physicist Maxwell discovered that when faced with an unstable current circuit, the Ampere loop theorem was contradictory.

Tipik qeyri-sabit cərəyan kondansatörün doldurulması və boşaldılması zamanı baş verir. Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, kondansatörün doldurulmasının qısa müddətində qeyri-sabit cərəyan var.

But the circuit is disconnected between the capacitor plates, which will cause a serious problem.

Suppose we consider a closed path that bypasses the wire, as shown in the figure below, the circle marked by C, and the curved surface with it as the boundary can be arbitrarily selected. In the figure, the circular plane enclosed by C itself and across the capacitor are selected. The curved surface of the left plate.

According to the circular surface, it can be seen that according to the curved surface, but as a loop integral of the magnetic field strength, its value should be determined!

Necə etmək olar?

Maksvell hesab edir ki, Amperin döngə teoremini qurmaq lazımdır. İndi bir problem var, ona görə olmalıdır ki, cərəyanın bir hissəsi əvvəllər bizim tərəfimizdən kəşf olunmayıb, amma mövcuddur!

Beləliklə, cərəyanın bu hissəsini necə tapmaq olar?

Problem boşqablar arasında olduğundan, boşqablar arasından başlayın.

Through analysis, Maxwell found that regardless of charging or discharging, there is a physical quantity between the capacitor plates at all times that is synchronized with the magnitude and direction of the current. It is the time derivative of the flux of the electric displacement vector, that is, it is defined as the displacement current.

If it is considered that this part is the part of the current that has not been discovered before, then the complete current is now. That is to say, although the circuit between the plates is disconnected, the derivative of the electric displacement flux and the sum of the current together, as a whole , Ensure the continuity of the current at all times.

Əvvəlki ziddiyyətə qayıdaraq, indi bilirik ki, Stoks teoreminin tələblərinə əsasən, qapalı səth üçün cərəyan sıxlığının axını hesablanarkən yerdəyişmə cərəyanının sıxlığı da nəzərə alınmalıdır, yəni tam amper dövrəsi. teorem buna görə də, Bu yeni cari komponenti “kəşf etməklə” Amper Döngəsi Teoreminin böhranı həll olunur!

The reason why “introduction” is not used here, but “discovery” is used here. What I want to emphasize is that this kind of current is not a mathematical compensation, but a real thing, but it has not been discovered before.

Niyə ilk növbədə mövcuddur? Elektrik cərəyanı kimi çıxış etdiyi üçün, keçirici cərəyan kimi, ekvivalent olaraq maqnit sahəsini həyəcanlandırır, istisna olmaqla, elektrik yüklərinin hərəkəti yoxdur, heç bir naqil tələb olunmur və heç bir Joule istilik yarana bilməz, ona görə də nəzərə alınmayıb!

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

Başqa sözlə, maqnit sahəsi ilə qarşılaşdığımız zaman cərəyanın orijinal tərifi çox dardır. Elektrik cərəyanının mahiyyəti elektrik yükünün hərəkəti deyil, maqnit sahəsini həyəcanlandıra biləcək bir şey olmalıdır.

İndiyə qədər cərəyanın bir neçə forması tətbiq edilmişdir. Onların hamısı obyektiv olaraq mövcuddur və onların ortaq cəhəti bütün cərəyanların maqnit sahəsini eyni dərəcədə həyəcanlandıra bilməsidir.