What is the electric current? First recall, what is the definition of current we have learned?

Прасцей кажучы, накіраваны рух зараджаных часціц у правадніку – гэта электрычны ток.

Толькі калі рэчыва мае зараджаныя часціцы, якія могуць свабодна рухацца, яно можа прапускаць электрычны ток — гэта значыць праводзіць электрычнасць. Гэтыя зараджаныя часціцы, якія ўдзельнічаюць у праводнасці, называюцца носьбітамі. Для металаў, напрыклад, толькі знешнія электроны атамаў могуць выступаць у якасці носьбітаў.

«Накіраваны рух» у вызначэнні электрычнага току часта разумеюць няправільна. Многія людзі думаюць, што гэта адносіцца да руху з пэўным напрамкам, вядома, не! Ці не змяняецца кірунак руху электронаў у ланцугу пераменнага току?

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

Паколькі электроны – гэта мікраскапічныя часціцы, яны павінны ўвесь час знаходзіцца ў цеплавым руху. Цеплавы рух – гэта выпадковы рух, як паказана на малюнку ніжэй.

Гэты рух на самай справе вельмі хуткі. Напрыклад, у металах пры пакаёвай тэмпературы хуткасць электроннага цеплавога руху складае парадку сотняў кіламетраў у секунду!

Калі вы ўважліва прыгледзецеся да гэтага выпадковага руху, вы выявіце, што кірунак руху кожнай часціцы ў любы момант з’яўляецца выпадковым. Калі скласці вектары хуткасцяў гэтых часціц, то вынік амаль роўны нулю.

Цяпер дадайце электрычнае поле да правадніка, і электрон накладвае накіраваны рух на аснове выпадковага руху. Калі дапусціць, што электрычнае поле знаходзіцца злева на працягу пэўнага перыяду часу, то рух электронаў выглядае наступным чынам. Чырвоныя шары ўяўляюць сабой атамы металу на крышталічнай рашотцы, а хутка рухаюцца кропкі – свабодныя электроны.

Does it look fast? That’s because electronic movement is really fast! But in fact, the random motion, which accounts for a large proportion of it, does not contribute to the current. When the random motion is eliminated, the rest is just like the slow look below.

Сапраўды, накіраванае рух электронаў значна павольней, чым хуткасць цеплавога руху. Такое «шліфаванне» рух электронаў называецца дрэйфам, або «дрэйфам». Часам электроны будуць бегчы ў процілеглым кірунку з-за сутыкнення з атамамі. Але ў цэлым электроны рухаюцца ў адным кірунку.

Калі электрычнае поле зменіць кірунак, зменіцца і кірунак дрэйфу электронаў.

Такім чынам, гэты від накіраванага руху азначае, што сума хуткасцей усіх электронаў, якія ўдзельнічаюць у праводнасці ў пэўны час, не роўная нулю, а ў цэлым знаходзіцца ў пэўным кірунку. Гэты кірунак можна змяніць у любы час, і гэта ў выпадку пераменнага току.

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

The magnitude of the current in the conductor is expressed by the current intensity. The current intensity is defined as the amount of electricity passing through the cross-section of the conductor in a unit time, namely

Мы даведаліся некаторыя фізічныя велічыні, якія ўтрымліваюць слова «інтэнсіўнасць», такія як напружанасць электрычнага поля і інтэнсіўнасць магнітнай індукцыі. Звычайна яны ўяўляюць сабой размеркаванне ў адзінку часу, адзінку плошчы (або адзінку аб’ёму, адзінку цялеснага вугла). Аднак слова «інтэнсіўнасць» у цяперашняй інтэнсіўнасці не адлюстроўвае цяперашняга размеркавання плошчы.

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

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!

Каб атрымаць гэтую сувязь, мы павінны спачатку ўдакладніць канцэнтрацыю носьбітаў паняцця, гэта значыць колькасць носьбітаў у адзінцы аб’ёму, якое выражаецца .

It is assumed that the conductor cross section is, the carrier concentration is, the drift velocity is, and the charged charge is.

Тады зарад у правадніку з левага боку паверхні роўны, і гэтыя зарады пройдуць праз паверхню на працягу пэўнага перыяду часу, таму

Гэта мікраскапічнае выражэнне інтэнсіўнасці току.

Шчыльнасць току – гэта размеркаванне току на плошчу, таму велічыня шчыльнасці току роўная, але яна вызначаецца як вектар, а кірунак – гэта напрамак вектара хуткасці дрэйфу станоўча зараджаных носьбітаў, таму дрэйф электронаў у метал можна атрымаць з гэтай хуткасці, як прыклад ніжэй.

Разгледзім медны дрот, мяркуючы, што кожны атам медзі ўносіць электрон у якасці носьбіта. Ёсць 1 моль медзі, яго аб’ём, малярная маса, шчыльнасць, тады канцэнтрацыя носьбіта меднага дроту роўная

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

Прымаючы, што радыус меднага дроту роўны 0.8 мм, ток, які цячэ 15 А, = 1.6 С, а хуткасць дрэйфу электронаў разлічваецца як

Можна заўважыць, што хуткасць дрэйфу электронаў сапраўды вельмі малая.

Для тых, хто вывучае схемы, вышэй прыведзена поўнае вызначэнне току.

Але ў фізіцы прыведзенае вышэй вызначэнне току на самай справе з’яўляецца толькі вузкім вызначэннем. Больш агульныя токі не абмяжоўваюцца праваднікамі, пакуль рух электрычных зарадаў з’яўляецца токам. Напрыклад, калі электроны атама вадароду рухаюцца вакол ядра, на яго арбіце ўтвараецца электрычны ток.

Выкажам здагадку, што колькасць электроннага зарада роўная, а перыяд руху роўны. Тады кожны раз, калі гэта праходзіць, праз любое папярочнае сячэнне завесы праходзіць такая вялікая колькасць зарада, таму інтэнсіўнасць току заснавана на ўзаемасувязі паміж перыядам, частатой і кутняй хуткасцю, а ток таксама можа быць выражаны як

Для іншага прыкладу, зараджаны металічны дыск, круцячыся вакол сваёй восі, таксама ўтварае петлевыя токі з рознымі радыусамі.

Такі ток не з’яўляецца звычайным токам праводнасці і не можа генераваць джоўлевае цяпло! Не можа сфармаваць рэальную схему.

У адваротным выпадку, вы б далі мне разлік, колькі джоўляў цяпла выпрацоўваецца за секунду электронамі атама вадароду?

Фактычна, ток у вакууме не задавальняе закону Ома. Таму што для электрычнага току, які ўтвараецца ў выніку руху зараджаных часціц у вакууме, носьбіты не сутыкаюцца, падобна рашотцы ў метале, таму вакуум не мае супраціву і праводнасці.

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!

Мы часта называем гэты від спецыяльнага току «эквівалентным токам». Эквівалент тут азначае, што ён стварае магнітнае поле на той жа аснове, што і звычайны ток праводнасці!

Reminder: Do not confuse the “equivalent current” here with the “equivalent circuit” in circuit analysis

Фактычна, калі мы ўпершыню вывучалі магнітнае поле, электрычны ток у законе Біё-Сафара быў абагульненым электрычным токам, які ўтрымліваў гэты эквівалентны ток. Вядома, ток праводнасці ў раўнаннях Максвела таксама адносіцца да абагульненага току.

Тыя, хто вывучаў фотаэфект, ведаюць, што пры дрэйфе фотаэлектрона ад катода да анода, калі ігнараваць уплыў паветра, гэты ток выклікаецца рухам электрычных зарадаў у вакууме, і няма супраціву, таму ён не абмяжоўваецца законам Ома.

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

Не! Ёсць таксама два тыпу, а менавіта ток намагнічання і ток выцяснення.

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”!

Гэта дзіўна! Перамяшчэння электрычнага зарада няма, дык чаму яго можна назваць электрычным токам?

Don’t worry, and listen to me slowly.

Let’s look at the magnetizing current first.

Было выяўлена, што магнетызм абумоўлены рухам электрычнасці (не ўлічваючы пакуль што тлумачэнне магнетызму ўнутранымі ўласцівасцямі спіна). Каб растлумачыць прыродны магнетызм, французскі фізік Ампер высунуў гіпотэзу аб «малекулярнай цыркуляцыі».

Як паказана на малюнку ніжэй, любы атам або малекулу можна разглядаць як электрычны зарад, які круціцца вакол цэнтра, утвараючы малюсенькі ток завесы, гэта значыць «малекулярную цыркуляцыю».

According to the law that the electric current excites the magnetic field, this molecular circulation will produce a physical quantity called magnetic moment. Its size is the area enclosed by the molecular circulation multiplied by the equivalent current of the molecular circulation, and its direction is in a right-handed spiral relationship with the direction of the circulation, namely

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

.

Пры нармальных абставінах размяшчэнне малекулярнай цыркуляцыі рэчыва хаатычнае, таму рэчыва не з’яўляецца магнітным, як паказана злева на малюнку ніжэй. Пры ўздзеянні знешняга магнітнага поля гэтыя малекулярныя цыркуляцыі будуць прыкладна акуратна ўладкаваныя. Як паказана ў правай частцы малюнка ніжэй, іх магнітныя моманты размешчаны ў адным кірунку, наколькі гэта магчыма, як незлічоныя маленькія магнітныя іголкі, сабраныя разам, каб утвараць поўнае магнітнае поле, і ўвесь матэрыял, які складаецца з іх, становіцца магнітным.

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.

Зыходзячы з гэтага, мы можам думаць, што стрыжань магніт падобны на саленід пад напругай. Іншымі словамі, на паверхні магніта заблытаўся нябачны ток! Такі ток нельга падключыць і выкарыстоўваць. Ён абмежаваны паверхняй магніта. Мы называем гэта «токам сувязі» або «токам намагнічвання».

Такім чынам, ток намагнічвання з’яўляецца токам, таму што гэта тое ж самае, што і ток, які ўтвараецца ў выніку руху рэальных электрычных зарадаў, якія могуць эквівалентна генераваць магнітнае поле!

Давайце яшчэ раз паглядзім на ток выцяснення.

Згодна тэарэме аб пятлі Ампера, інтэграл ад напружанасці магнітнага поля на замкнёным шляху роўны патоку шчыльнасці току на любой крывалінейнай паверхні, абмежаванай гэтым шляхам, гэта значыць гэтая тэарэма ў матэматыцы называецца тэарэмай Стокса. Гэта кажа нам, што інтэграл вектара ўздоўж любога замкнёнага шляху павінен быць роўны патоку яго завітка (тут) да любой паверхні, абмежаванай замкнёным шляхам.

Паколькі гэта матэматычная тэарэма, яна заўсёды павінна быць правільнай, таму што матэматыка — гэта лагічная сістэма, заснаваная на аксіёмах.

Такім чынам, тэарэма аб пятлі Ампера павінна выконвацца заўсёды!

Аднак таленавіты шатландскі фізік Максвел выявіў, што пры сутыкненні з няўстойлівым ланцугом току тэарэма аб пятлі Ампера была супярэчлівай.

Тыповы няўстойлівы ток ўзнікае падчас зарадкі і разрадкі кандэнсатара. Як паказана на малюнку ніжэй, на працягу кароткага перыяду зарадкі кандэнсатара ўзнікае няўстойлівы ток.

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.

Па кругавой паверхні відаць, што ў адпаведнасці з крывалінейнай паверхняй, але як інтэграл ад напружанасці магнітнага поля, трэба вызначыць яго значэнне!

Як зрабіць?

Максвел лічыць, што тэарэма аб пятлі Ампера павінна быць устаноўлена. Цяпер, калі ёсць праблема, гэта павінна быць таму, што частка плыні не была выяўлена намі раней, але яна існуе!

Такім чынам, як даведацца гэтую частку току?

Since the problem is between the plates, start from between the plates.

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.

Калі лічыць, што гэтая частка з’яўляецца часткай плыні, якая не была выяўлена раней, то поўны ток цяпер. Гэта значыць, хоць ланцуг паміж пласцінамі адключаны, вытворная электрычнага патоку перамяшчэння і сума току разам у цэлым забяспечваюць бесперапыннасць току ў любы час.

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!

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.

Чаму яна існуе ў першую чаргу? Паколькі ён дзейнічае як электрычны ток, як ток праводнасці, ён эквівалентна ўзбуджае магнітнае поле, за выключэннем таго, што няма руху электрычных зарадаў, не патрабуецца провад і не можа быць выдзелена джоўлевае цяпло, таму гэта было праігнаравана!

Але яно насамрэч існуе само па сабе, толькі трымайся сцішана, яно ўвесь час ціха ўзбуджае там магнітнае поле!

In other words, when we face a magnetic field, the original definition of current is too narrow. The essence of electric current is not the movement of electric charge, it should be something that can excite a magnetic field.

Да гэтага часу былі ўведзеныя некалькі формаў току. Усе яны існуюць аб’ектыўна, і іх аб’ядноўвае тое, што ўсе токі могуць аднолькава ўзбуджаць магнітнае поле.