Hvad er den elektriske strøm? Først husker vi, hvad er definitionen af ​​strøm, vi har lært?

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

Først når et stof har ladede partikler, der kan bevæge sig frit, kan det transmittere elektrisk strøm – det vil sige lede elektricitet. Disse ladede partikler, der deltager i ledning, kaldes bærere. For metaller er det for eksempel kun de ydre elektroner af atomer, der kan fungere som bærere.

“Retningsbevægelsen” i definitionen af ​​elektrisk strøm er ofte misforstået. Mange mennesker tror, ​​det refererer til bevægelse med en bestemt retning, selvfølgelig ikke! Ændrer bevægelsesretningen for elektronerne i AC-kredsløbet sig ikke?

Faktisk er orienteringsløb i forhold til “tilfældig bevægelse”!

Since electrons are microscopic particles, they must be in thermal motion all the time. Thermal motion is a random motion, as shown in the figure below.

Denne bevægelse er faktisk meget hurtig. For eksempel i metaller ved stuetemperatur er hastigheden af ​​elektronisk termisk bevægelse i størrelsesordenen hundreder af kilometer i sekundet!

Hvis du ser nærmere på denne tilfældige bevægelse, vil du opdage, at bevægelsesretningen for hver partikel er tilfældig på ethvert tidspunkt. Hvis man lægger disse partiklers hastighedsvektorer sammen, er resultatet næsten nul.

Tilføj nu et elektrisk felt til lederen, og elektronen overlejrer en retningsbestemt bevægelse på basis af tilfældig bevægelse. Hvis man antager, at det elektriske felt er til venstre i en vis periode, ser elektronernes bevægelse ud som følger. De røde kugler repræsenterer metalatomer på krystalgitteret, og de hurtigt bevægende prikker repræsenterer frie elektroner.

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.

Indeed, the directional movement of electrons is much slower than the speed of thermal movement. This “grinding” movement of electrons is called drift, or “drift”. Sometimes, electrons will run in the opposite direction because of collisions with atoms. But in general, electrons move in one direction.

Hvis det elektriske felt ændrer retning, vil retningen af ​​elektrondrift også ændre sig.

Derfor betyder denne form for retningsbestemt bevægelse, at summen af ​​hastighederne af alle elektronerne, der deltager i ledningen på et bestemt tidspunkt, ikke er nul, men generelt i en bestemt retning. Denne retning kan ændres til enhver tid, og det er tilfældet med vekselstrøm.

Derfor er strøm ikke så meget “retningsbevægelsen” af elektrisk ladning, som den er den “kollektive bevægelse” af elektrisk ladning.

Størrelsen af ​​strømmen i lederen er udtrykt ved strømintensiteten. Strømintensiteten er defineret som mængden af ​​elektricitet, der passerer gennem lederens tværsnit i en tidsenhed, nemlig

Vi har lært nogle fysiske størrelser, der indeholder ordet “intensitet”, såsom elektrisk feltintensitet og magnetisk induktionsintensitet. De repræsenterer generelt fordelingen pr. tidsenhed, enhedsareal (eller enhedsvolumen, enhedsrumvinkel). Ordet “intensitet” i den aktuelle intensitet afspejler dog ikke den aktuelle fordeling af arealet.

Faktisk er en anden fysisk størrelse ansvarlig for fordelingen af ​​strøm til areal, som er strømtæthed.

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 .

Det antages, at ledertværsnittet er, bærerkoncentrationen er, drifthastigheden er, og den ladede ladning er.

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

Dette er et mikroskopisk udtryk for strømintensitet.

Strømtæthed er fordelingen af ​​strøm til areal, så størrelsen af ​​strømtæthed er, men den er defineret som en vektor, og retningen er retningen af ​​drifthastighedsvektoren for de positivt ladede bærere, så afdriften af ​​elektroner i metal kan fås fra denne hastighed, som et eksempel nedenfor.

Overvej en kobbertråd, idet det antages, at hvert kobberatom bidrager med en elektron som en bærer. Der er 1 mol kobber, dets volumen er, molmassen er, densiteten er, så er bærerkoncentrationen af ​​kobbertråden

Hvor er Avogadros konstant. Densiteten af ​​kobber findes, og værdien opnået ved at substituere er ca. enhed/kubikmeter.

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

Det kan ses, at elektronernes drifthastighed faktisk er meget lille.

For dem, der studerer kredsløb, er ovenstående den komplette definition af strøm.

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.

Antag, at mængden af ​​elektronisk ladning er, og bevægelsesperioden er. Så hver gang det går, er der så stor en mængde ladning, der passerer gennem et hvilket som helst tværsnit af sløjfen, så strømintensiteten er baseret på forholdet mellem periode, frekvens og vinkelhastighed, og strømmen kan også udtrykkes som

For et andet eksempel danner en ladet metalskive, der roterer om sin akse, også sløjfestrømme med forskellige radier.

Denne slags strøm er ikke en normal ledningsstrøm og kan ikke generere Joule-varme! Kan ikke danne et rigtigt kredsløb.

Ellers vil du give mig en beregning af, hvor meget joule-varme, der genereres i sekundet af brintatomets elektroner?

In fact, the current in vacuum does not satisfy Ohm’s law. Because, for the electric current formed by the movement of charged particles in the vacuum, the carriers are not collided similar to the lattice in the metal, so the vacuum has no resistance and no conductance.

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!

Vi kalder ofte denne form for speciel strøm for en “ækvivalent strøm”. Det tilsvarende betyder her, at det genererer et magnetfelt på samme grundlag som en almindelig ledningsstrøm!

Påmindelse: Du må ikke forveksle “ækvivalent strøm” her med “ækvivalent kredsløb” i kredsløbsanalyse

Faktisk, da vi først studerede magnetfeltet, var den elektriske strøm i Biot-Saffars lov den generaliserede elektriske strøm, der indeholdt denne ækvivalente strøm. Selvfølgelig refererer ledningsstrømmen i Maxwells ligninger også til den generaliserede strøm.

De, der har studeret den fotoelektriske effekt, ved, at når fotoelektronen driver fra katoden til anoden, hvis påvirkningen af ​​luft ignoreres, er denne strøm forårsaget af bevægelsen af ​​elektriske ladninger i vakuumet, og der er ingen modstand, så det er ikke begrænset af Ohms lov.

Så er dette det eneste ved elektrisk strøm i fysik?

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

De er også to ækvivalente strømme, som, som navnet antyder, også introduceres for at forklare magnetisme. De har med andre ord brudt op fra det grundlæggende kendetegn ved den nuværende “ladningsbevægelse”!

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

Bare rolig, og lyt til mig langsomt.

Lad os først se på magnetiseringsstrømmen.

Det blev fundet, at magnetisme er forårsaget af bevægelse af elektricitet (ikke i betragtning af forklaringen af ​​magnetisme med spindets iboende egenskaber for øjeblikket). For at forklare naturlig magnetisme fremsatte den franske fysiker Ampere hypotesen om “molekylær cirkulation”.

Som vist i figuren nedenfor kan ethvert atom eller molekyle betragtes som havende en elektrisk ladning, der roterer rundt om midten og danner en lille sløjfestrøm, det vil sige “molekylær cirkulation”.

Ifølge loven om, at den elektriske strøm exciterer det magnetiske felt, vil denne molekylære cirkulation producere en fysisk størrelse kaldet magnetisk moment. Dens størrelse er det areal, der er indesluttet af den molekylære cirkulation ganget med den ækvivalente strøm af den molekylære cirkulation, og dens retning er i et højrehåndet spiralforhold med cirkulationens retning, dvs.

Det er klart, at retningen af ​​det magnetiske moment er nøjagtigt langs retningen af ​​det magnetiske felt dannet af den cirkulerende strøm

.

Under normale omstændigheder er arrangementet af et stofs molekylære cirkulation kaotisk, så stoffet er ikke magnetisk, som vist i venstre side af figuren nedenfor. Når de udsættes for et eksternt magnetfelt, vil disse molekylære cirkulationer være tilnærmelsesvis pænt arrangeret. Som vist i højre side af nedenstående figur, er deres magnetiske momenter arrangeret i én retning så meget som muligt, ligesom utallige små magnetiske nåle samlet for at danne et totalt magnetfelt, og hele materialet, der er sammensat af dem, bliver magnetisk.

Antag, at der er en cylindrisk magnet, den indre molekylære cirkulation er pænt arrangeret, og sektionerne af hver molekylær cirkulation ved kanten af ​​magnetsektionen er forbundet sammen for at danne en stor cirkulation, som vist i figuren nedenfor.

Baseret på dette kan vi tro, at en stangmagnet er som en magnetiseret magnet. Med andre ord er der en usynlig strøm viklet ind på magnetens overflade! Denne slags strøm kan ikke tilsluttes og bruges. Den er begrænset til magnetens overflade. Vi kalder det “bindende strøm” eller “magnetiseringsstrøm”.

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!

Lad os se på forskydningsstrømmen igen.

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.

Da det er en matematisk sætning, skal den altid være korrekt, for matematik er et logisk system baseret på aksiomer.

Derfor skal Ampere-løkkesætningen altid holde!

Imidlertid opdagede den talentfulde skotske fysiker Maxwell, at når man stod over for et ustabilt strømkredsløb, var Ampere loop-sætningen selvmodsigende.

Den typiske ustabile strøm opstår under opladning og afladning af kondensatoren. Som vist på nedenstående figur er der en ustabil strøm under den korte periode med kondensatoropladning.

Men kredsløbet er afbrudt mellem kondensatorpladerne, hvilket vil forårsage et alvorligt problem.

Antag, at vi betragter en lukket sti, der går uden om ledningen, som vist på figuren nedenfor, cirklen markeret med C, og den buede overflade med den som grænse kan vælges vilkårligt. På figuren er det cirkulære plan omsluttet af C selv og på tværs af kondensatoren valgt. Den buede overflade af venstre plade.

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!

Hvordan man gør?

Maxwell mener, at Amperes loop-sætning skal etableres. Nu hvor der er et problem, må det skyldes, at en del af strømmen ikke er blevet opdaget af os før, men den findes!

Så hvordan finder man ud af denne del af strømmen?

Da problemet er mellem pladerne, start fra mellem pladerne.

Gennem analyse fandt Maxwell ud af, at uanset opladning eller afladning er der en fysisk størrelse mellem kondensatorpladerne til enhver tid, som er synkroniseret med strømmens størrelse og retning. Det er den tidsafledede af fluxen af ​​den elektriske forskydningsvektor, det vil sige, den er defineret som forskydningsstrømmen.

Hvis det vurderes, at denne del er den del af strømmen, der ikke er blevet opdaget før, så er den fuldstændige strøm nu. Det vil sige, selvom kredsløbet mellem pladerne er afbrudt, sikrer den afledede af den elektriske forskydningsflux og summen af ​​strømmen sammen, som helhed , strømmens kontinuitet til enhver tid.

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!

Grunden til, at “introduktion” ikke bruges her, men “opdagelse” bruges her. Det, jeg vil understrege, er, at denne form for strøm ikke er en matematisk kompensation, men en rigtig ting, men den er ikke blevet opdaget før.

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!

Men det eksisterer faktisk af sig selv, hold bare lav profil, det har lydløst begejstret magnetfeltet der hele tiden!

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.

Indtil videre er de flere strømformer blevet introduceret. De eksisterer alle objektivt, og fælles for dem er, at alle strømme lige meget kan excitere magnetfeltet.