Какъв е електрическият ток? Първо си припомнете, какво е определението за ток, което научихме?

Quite simply, the directional movement of charged particles in a conductor is an electric current.

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.

„Насоченото движение“ в определението за електрически ток често се разбира погрешно. Много хора смятат, че се отнася до движение с определена посока, разбира се, че не! Не се ли променя посоката на движение на електроните в AC веригата?

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

Тъй като електроните са микроскопични частици, те трябва да са в топлинно движение през цялото време. Топлинното движение е произволно движение, както е показано на фигурата по-долу.

Това движение всъщност е много бързо. Например, в метали при стайна температура скоростта на електронното термично движение е от порядъка на стотици километри в секунда!

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.

Сега добавете електрическо поле към проводника и електронът наслагва насочено движение на базата на произволно движение. Ако приемем, че електрическото поле е отляво за определен период от време, движението на електроните изглежда по следния начин. Червените топки представляват метални атоми в кристалната решетка, а бързо движещите се точки представляват свободни електрони.

Бързо ли изглежда? Това е така, защото електронното движение е наистина бързо! Но всъщност произволното движение, което представлява голяма част от него, не допринася за тока. Когато произволното движение бъде елиминирано, останалото е точно като бавния поглед по-долу.

Всъщност насоченото движение на електроните е много по-бавно от скоростта на топлинното движение. Това „смилащо“ движение на електроните се нарича дрейф или „отклонение“. Понякога електроните ще се движат в обратна посока поради сблъсъци с атоми. Но като цяло електроните се движат в една посока.

Ако електрическото поле промени посоката, посоката на електронен дрейф също ще се промени.

Следователно този вид насочено движение означава, че сумата от скоростите на всички електрони, участващи в проводимостта в определен момент, не е нула, а обикновено е в определена посока. Тази посока може да бъде променена по всяко време и това е случаят на променлив ток.

Следователно токът не е толкова „насоченото движение“ на електрическия заряд, колкото „колективното движение“ на електрическия заряд.

Големината на тока в проводника се изразява чрез интензитета на тока. Интензитетът на тока се определя като количеството електричество, преминаващо през напречното сечение на проводника за единица време, а именно

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.

Всъщност друга физическа величина е отговорна за разпределението на тока в областта, която е плътността на тока.

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!

In order to obtain this relationship, we must first clarify a concept-carrier concentration, that is, the number of carriers in a unit volume, which is expressed by .

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

Това е микроскопичен израз на интензитета на тока.

Плътността на тока е разпределението на тока към площта, така че големината на плътността на тока е, но тя се дефинира като вектор, а посоката е посоката на вектора на скоростта на дрейф на положително заредените носители, така че дрейфът на електроните в метал може да се получи от тази скорост, като пример по-долу.

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

Къде е константата на Авогадро. Плътността на медта е намерена, а стойността, получена чрез заместване, е около единица/кубичен метър.

Assuming that the radius of the copper wire is 0.8mm, the current flowing is 15A, =1.6 C, and the drift velocity of electrons is calculated as

It can be seen that the drift speed of electrons is indeed very small.

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.

Да предположим, че размерът на електронната такса е и периодът на движение е. След това всеки път, когато това изтече, има толкова голямо количество заряд, преминаващ през което и да е напречно сечение на контура, така че интензитетът на тока се основава на връзката между периода, честотата и ъгловата скорост, а токът може също да бъде изразен като

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

Този вид ток не е нормален ток на проводимост и не може да генерира джаулова топлина! Не може да образува реална верига.

В противен случай бихте ли ми дали изчисление колко джаул топлина се генерира в секунда от електроните на водородния атом?

Всъщност токът във вакуум не отговаря на закона на Ом. Тъй като за електрическия ток, образуван от движението на заредени частици във вакуума, носителите не се сблъскват подобно на решетката в метала, така че вакуумът няма съпротивление и проводимост.

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!

We often call this kind of special current an “equivalent current”. The equivalent here means that it generates a magnetic field on the same basis as an ordinary conduction current!

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

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.

Тези, които са изследвали фотоелектричния ефект, знаят, че когато фотоелектронът се отклонява от катода към анода, ако се пренебрегне влиянието на въздуха, този ток се причинява от движението на електрически заряди във вакуума и няма съпротивление, така че той не е ограничено от закона на Ом.

И така, това ли е единственото нещо за електрическия ток във физиката?

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

Те също са два еквивалентни тока, които, както подсказва името, също са въведени, за да обяснят магнетизма. С други думи, те са се откъснали от основната характеристика на сегашното „движение на заряда“!

Това е невероятно! Няма движение на електрически заряд, така че защо може да се нарече електрически ток?

Не се тревожи и ме слушай бавно.

Нека първо разгледаме тока на намагнитване.

Установено е, че магнетизмът се причинява от движението на електричеството (без да се вземе предвид обяснението на магнетизма с присъщите свойства на спина за момента). За да обясни естествения магнетизъм, френският физик Ампер изложи хипотезата за „молекулярна циркулация“.

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”.

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

Очевидно посоката на магнитния момент е точно по посока на магнитното поле, образувано от циркулиращия ток

.

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.

Да предположим, че има цилиндричен магнит, вътрешната молекулярна циркулация е добре подредена и секциите на всяка молекулярна циркулация в ръба на магнитната секция са свързани заедно, за да образуват голяма циркулация, както е показано на фигурата по-долу.

Въз основа на това можем да мислим, че лентовият магнит е като захранван соленоид. С други думи, върху повърхността на магнита има невидим ток! Този вид ток не може да бъде свързан и използван. Той е ограничен до повърхността на магнита. Наричаме го „ток на свързване“ или „ток на намагнитване“.

Следователно, намагнитващият ток е ток, защото е същият като тока, образуван от движението на реални електрически заряди, които могат еквивалентно да генерират магнитно поле!

Нека отново да разгледаме тока на изместване.

According to the Ampere’s loop theorem, the integral of the magnetic field strength on a closed path is equal to the flux of the current density on any curved surface bounded by this path, that is, this theorem is called Stokes’ theorem in mathematics. It tells us that the integral of a vector along any closed path must be equal to the flux of its curl (here) to any surface bounded by the closed path.

Since it is a mathematical theorem, it must always be correct, because mathematics is a logical system based on axioms.

Следователно теоремата на Амперовата верига трябва винаги да е в сила!

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

Типичният нестабилен ток възниква по време на зареждане и разреждане на кондензатора. Както е показано на фигурата по-долу, през краткия период на зареждане на кондензатора има нестабилен ток.

Но веригата е изключена между плочите на кондензатора, което ще причини сериозен проблем.

Да предположим, че разглеждаме затворен път, който заобикаля проводника, както е показано на фигурата по-долу, кръга, маркиран с C, и извитата повърхност с него като граница могат да бъдат избрани произволно. На фигурата е избрана кръговата равнина, затворена от самия C и напречно на кондензатора. Извитата повърхност на лявата плоча.

Според кръглата повърхност се вижда, че според извитата повърхност, но като интеграл на веригата от силата на магнитното поле, трябва да се определи неговата стойност!

Как да се направи?

Максуел смята, че теоремата на контура на Ампер трябва да бъде установена. Сега, когато има проблем, трябва да е защото част от течението не е била открита от нас преди, но съществува!

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

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

Чрез анализ Максуел открива, че независимо от зареждането или разреждането, има физическо количество между плочите на кондензатора по всяко време, което е синхронизирано с големината и посоката на тока. Това е производна по време на потока на вектора на електрическото изместване, тоест се определя като ток на изместване.

Ако се счита, че тази част е частта от тока, която не е била открита преди, тогава пълният ток е сега. Тоест, въпреки че веригата между плочите е изключена, производната на потока на електрическо изместване и сумата на тока заедно, като цяло, осигуряват непрекъснатостта на тока през цялото време.

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!

Причината, поради която тук не се използва „въведение“, а тук се използва „откриване“. Това, което искам да подчертая е, че този вид ток не е математическа компенсация, а реално нещо, но не е открито преди.

Защо съществува на първо място? Тъй като действа като електрически ток, като ток на проводимост, той възбужда еквивалентно магнитно поле, с изключение на това, че няма движение на електрически заряди, не е необходим проводник и не може да се генерира джаулова топлина, така че е пренебрегнато!

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

С други думи, когато сме изправени пред магнитно поле, първоначалната дефиниция на тока е твърде тясна. Същността на електрическия ток не е движението на електрическия заряд, той трябва да бъде нещо, което може да възбуди магнитно поле.

Досега са въведени няколкото форми на ток. Всички те съществуват обективно и общото между тях е, че всички токове могат еднакво да възбуждат магнитното поле.