Was ist der elektrische Strom? Erinnern Sie sich zuerst, was ist die Definition von Strom, die wir gelernt haben?

Die gerichtete Bewegung geladener Teilchen in einem Leiter ist ganz einfach ein elektrischer Strom.

Nur wenn eine Substanz geladene Teilchen hat, die sich frei bewegen können, kann sie elektrischen Strom übertragen, also Elektrizität leiten. Diese geladenen Teilchen, die an der Leitung teilnehmen, werden Träger genannt. Bei Metallen beispielsweise können nur die äußeren Elektronen von Atomen als Träger fungieren.

Die „gerichtete Bewegung“ in der Definition von elektrischem Strom wird oft missverstanden. Viele Leute denken, es beziehe sich auf eine Bewegung mit einer bestimmten Richtung, natürlich nicht! Ändert sich nicht die Bewegungsrichtung der Elektronen im Wechselstromkreis?

Tatsächlich ist Orientierungslauf relativ zu „zufälliger Bewegung“!

Da Elektronen mikroskopisch kleine Teilchen sind, müssen sie sich ständig in thermischer Bewegung befinden. Thermische Bewegung ist eine zufällige Bewegung, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Diese Bewegung ist eigentlich sehr schnell. In Metallen beispielsweise liegt die Geschwindigkeit der elektronischen thermischen Bewegung bei Raumtemperatur in der Größenordnung von Hunderten von Kilometern pro Sekunde!

Wenn Sie sich diese zufällige Bewegung genau ansehen, werden Sie feststellen, dass die Bewegungsrichtung jedes Partikels zu jedem Zeitpunkt zufällig ist. Addiert man die Geschwindigkeitsvektoren dieser Teilchen, ist das Ergebnis fast Null.

Fügen Sie nun dem Leiter ein elektrisches Feld hinzu, und das Elektron überlagert eine gerichtete Bewegung auf der Grundlage einer zufälligen Bewegung. Unter der Annahme, dass das elektrische Feld für eine gewisse Zeit nach links gerichtet ist, sieht die Bewegung der Elektronen wie folgt aus. Die roten Kugeln repräsentieren Metallatome auf dem Kristallgitter, und die sich schnell bewegenden Punkte repräsentieren freie Elektronen.

Sieht es schnell aus? Das liegt daran, dass die elektronische Bewegung wirklich schnell ist! Aber tatsächlich trägt die zufällige Bewegung, die einen großen Teil davon ausmacht, nicht zur Strömung bei. Wenn die zufällige Bewegung eliminiert wird, ist der Rest genau wie der langsame Look unten.

Tatsächlich ist die gerichtete Bewegung von Elektronen viel langsamer als die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung. Diese „schleifende“ Bewegung von Elektronen wird als Drift oder „Drift“ bezeichnet. Manchmal laufen Elektronen aufgrund von Kollisionen mit Atomen in die entgegengesetzte Richtung. Aber im Allgemeinen bewegen sich Elektronen in eine Richtung.

Wenn das elektrische Feld die Richtung ändert, ändert sich auch die Richtung der Elektronendrift.

Daher bedeutet diese Art der gerichteten Bewegung, dass die Summe der Geschwindigkeiten aller an der Leitung beteiligten Elektronen zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht Null ist, sondern im Allgemeinen in eine bestimmte Richtung weist. Diese Richtung kann jederzeit geändert werden, und das ist bei Wechselstrom der Fall.

Daher ist Strom nicht so sehr die „gerichtete Bewegung“ der elektrischen Ladung, sondern die „kollektive Bewegung“ der elektrischen Ladung.

Die Stromstärke im Leiter wird durch die Stromstärke ausgedrückt. Die Stromstärke ist definiert als die Strommenge, die in einer Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt fließt, nämlich

Wir haben einige physikalische Größen kennengelernt, die das Wort „Intensität“ enthalten, wie die elektrische Feldstärke und die magnetische Induktionsstärke. Sie stellen im Allgemeinen die Aufteilung pro Zeiteinheit, Flächeneinheit (oder Volumeneinheit, Raumwinkeleinheit) dar. Das Wort „Intensität“ in der aktuellen Intensität spiegelt jedoch nicht die aktuelle Aufteilung der Fläche wider.

Tatsächlich ist eine andere physikalische Größe für die Verteilung des Stroms auf die Fläche verantwortlich, die Stromdichte.

Da das Wesen des elektrischen Stroms die gerichtete Bewegung der elektrischen Ladung ist, muss ein bestimmter Zusammenhang zwischen Stromstärke und Driftgeschwindigkeit bestehen!

Um diese Beziehung zu erhalten, müssen wir zunächst eine Konzept-Träger-Konzentration klären, dh die Anzahl der Träger in einer Volumeneinheit, die durch ausgedrückt wird.

Es wird angenommen, dass der Leiterquerschnitt ist, die Ladungsträgerkonzentration ist, die Driftgeschwindigkeit ist und die geladene Ladung ist.

Dann ist die Ladung im Leiter auf der linken Seite der Oberfläche, und diese Ladungen werden innerhalb einer bestimmten Zeit die Oberfläche passieren, also

Dies ist ein mikroskopischer Ausdruck der Stromstärke.

Die Stromdichte ist die Aufteilung des Stroms auf die Fläche, also die Größe der Stromdichte, aber sie ist als Vektor definiert, und die Richtung ist die Richtung des Driftgeschwindigkeitsvektors der positiv geladenen Ladungsträger, also die Drift der Elektronen im Metall kann von diesem Speed ​​erhalten werden, als Beispiel unten.

Betrachten Sie einen Kupferdraht unter der Annahme, dass jedes Kupferatom ein Elektron als Träger beisteuert. Es gibt 1 Mol Kupfer, sein Volumen ist, die Molmasse ist, die Dichte ist, dann ist die Ladungsträgerkonzentration des Kupferdrahts

Wo ist Avogadros Konstante. Die Dichte von Kupfer wird gefunden, und der durch Ersetzen erhaltene Wert beträgt ungefähr Einheit/Kubikmeter.

Angenommen, der Radius des Kupferdrahts beträgt 0.8 mm, der fließende Strom beträgt 15 A, = 1.6 C, und die Driftgeschwindigkeit der Elektronen wird berechnet als

Es ist ersichtlich, dass die Driftgeschwindigkeit von Elektronen tatsächlich sehr klein ist.

Für diejenigen, die Stromkreise studieren, ist dies die vollständige Definition von Strom.

Aber in der Physik ist die obige Definition von Strom eigentlich nur eine enge Definition. Allgemeinere Ströme sind nicht auf Leiter beschränkt, solange die Bewegung elektrischer Ladungen Strom ist. Wenn sich beispielsweise die Elektronen eines Wasserstoffatoms um den Kern bewegen, entsteht auf seiner Umlaufbahn ein elektrischer Strom.

Angenommen, die Menge der elektronischen Ladung ist und die Bewegungsdauer ist. Dann fließt jedes Mal, wenn dies verstreicht, eine so große Ladungsmenge durch einen beliebigen Querschnitt der Schleife, sodass die Stromstärke auf der Beziehung zwischen Periode, Frequenz und Winkelgeschwindigkeit basiert, und der Strom kann auch ausgedrückt werden als

Bei einem anderen Beispiel bildet eine geladene Metallscheibe, die sich um ihre Achse dreht, auch Schleifenströme mit unterschiedlichen Radien.

Diese Art von Strom ist kein normaler Leitungsstrom und kann keine Joulesche Wärme erzeugen! Kann keinen echten Stromkreis bilden.

Würden Sie mir andernfalls berechnen, wie viel Joule Wärme pro Sekunde von den Elektronen des Wasserstoffatoms erzeugt wird?

Tatsächlich erfüllt der Strom im Vakuum nicht das Ohmsche Gesetz. Denn für den elektrischen Strom, der durch die Bewegung geladener Teilchen im Vakuum entsteht, kollidieren die Ladungsträger nicht ähnlich wie beim Gitter im Metall, das Vakuum hat also keinen Widerstand und keine Leitfähigkeit.

Die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt elektrischen Strom, und die elektrische Ladung selbst erregt das elektrische Feld. Dies kann leicht zu Missverständnissen führen. Viele Leute denken daher, dass das elektrische Feld der geladenen Teilchen, die den elektrischen Strom bilden, ausgesetzt werden muss. Aber tatsächlich fließen für den Leitungsstrom in einem allgemeinen Leiter Ladungsträger auf einem Hintergrund, der aus einer großen Anzahl positiv geladener Metallionen besteht, und der Leiter selbst ist neutral!

Wir nennen diese Art von Sonderstrom oft „Äquivalentstrom“. Das Äquivalent hier bedeutet, dass er ein Magnetfeld auf der gleichen Grundlage wie ein gewöhnlicher Leitungsstrom erzeugt!

Zur Erinnerung: Verwechseln Sie hier nicht den „Ersatzstrom“ mit dem „Ersatzkreis“ in der Stromkreisanalyse

Als wir das Magnetfeld zum ersten Mal untersuchten, war der elektrische Strom im Biot-Saffar-Gesetz der verallgemeinerte elektrische Strom, der diesen äquivalenten Strom enthielt. Natürlich bezieht sich der Leitungsstrom in den Maxwell-Gleichungen auch auf den verallgemeinerten Strom.

Diejenigen, die den photoelektrischen Effekt studiert haben, wissen, dass wenn das Photoelektron von der Kathode zur Anode driftet, wenn der Einfluss von Luft ignoriert wird, dieser Strom durch die Bewegung elektrischer Ladungen im Vakuum verursacht wird und es keinen Widerstand gibt, also ist nicht durch das Ohmsche Gesetz eingeschränkt.

Ist dies also das Einzige, was in der Physik über elektrischen Strom zu tun hat?

Nein! Es gibt auch zwei Arten, nämlich Magnetisierungsstrom und Verschiebungsstrom.

Sie sind auch zwei äquivalente Ströme, die, wie der Name schon sagt, auch zur Erklärung des Magnetismus eingeführt werden. Mit anderen Worten, sie haben sich von der Grundcharakteristik der aktuellen „Ladungsbewegung“ gelöst!

Das ist erstaunlich! Es gibt keine elektrische Ladungsbewegung, warum kann man sie also als elektrischer Strom bezeichnen?

Mach dir keine Sorgen und hör mir langsam zu.

Schauen wir uns zuerst den Magnetisierungsstrom an.

Es wurde festgestellt, dass Magnetismus durch die Bewegung von Elektrizität verursacht wird (vorerst wird die Erklärung des Magnetismus durch die intrinsischen Eigenschaften des Spins nicht berücksichtigt). Um den natürlichen Magnetismus zu erklären, stellte der französische Physiker Ampere die Hypothese der „molekularen Zirkulation“ auf.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, kann jedes Atom oder Molekül so betrachtet werden, als ob eine elektrische Ladung um das Zentrum rotiert und einen winzigen Schleifenstrom bildet, d. h. „Molekülzirkulation“.

Nach dem Gesetz, dass der elektrische Strom das Magnetfeld anregt, erzeugt diese molekulare Zirkulation eine physikalische Größe, die als magnetisches Moment bezeichnet wird. Seine Größe ist die von der molekularen Zirkulation umschlossene Fläche multipliziert mit dem äquivalenten Strom der molekularen Zirkulation, und ihre Richtung steht in einer rechtsdrehenden Spiralbeziehung zur Richtung der Zirkulation, nämlich

Offensichtlich ist die Richtung des magnetischen Moments genau entlang der Richtung des Magnetfelds, das durch den zirkulierenden Strom gebildet wird

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Unter normalen Umständen ist die Anordnung der molekularen Zirkulation einer Substanz chaotisch, also ist die Substanz nicht magnetisch, wie auf der linken Seite der Abbildung unten gezeigt. Wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, werden diese molekularen Kreisläufe ungefähr ordentlich angeordnet. Wie auf der rechten Seite der Abbildung unten gezeigt, sind ihre magnetischen Momente so weit wie möglich in eine Richtung angeordnet, genau wie unzählige kleine Magnetnadeln, die sich zu einem gesamten Magnetfeld zusammenschließen, und das gesamte Material, das aus ihnen besteht, wird magnetisch.

Angenommen, es gibt einen zylindrischen Magneten, der innere Molekülkreislauf ist sauber angeordnet und die Abschnitte jedes Molekülkreislaufs am Rand des Magnetabschnitts sind miteinander verbunden, um einen großen Kreislauf zu bilden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Auf dieser Grundlage können wir uns vorstellen, dass ein Stabmagnet wie ein erregter Elektromagnet ist. Mit anderen Worten, auf der Oberfläche des Magneten verfängt sich ein unsichtbarer Strom! Diese Art von Strom kann nicht angeschlossen und verwendet werden. Es ist auf die Oberfläche des Magneten beschränkt. Wir nennen es „Bindestrom“ oder „Magnetisierungsstrom“.

Daher ist der Magnetisierungsstrom ein Strom, weil er der gleiche ist wie der Strom, der durch die Bewegung realer elektrischer Ladungen gebildet wird, die äquivalent ein Magnetfeld erzeugen können!

Betrachten wir noch einmal den Verschiebungsstrom.

Nach dem Ampere-Schleifensatz ist das Integral der magnetischen Feldstärke auf einem geschlossenen Weg gleich dem Fluss der Stromdichte auf jeder gekrümmten Fläche, die von diesem Weg begrenzt wird, dh dieser Satz wird in der Mathematik als Stokes-Satz bezeichnet. Es sagt uns, dass das Integral eines Vektors entlang eines geschlossenen Pfads gleich dem Fluss seiner Krümmung (hier) zu jeder durch den geschlossenen Pfad begrenzten Fläche sein muss.

Da es sich um einen mathematischen Satz handelt, muss er immer richtig sein, denn Mathematik ist ein logisches System, das auf Axiomen basiert.

Daher muss der Ampere-Schleifensatz immer gelten!

Der talentierte schottische Physiker Maxwell entdeckte jedoch, dass das Ampere-Schleifen-Theorem angesichts eines instabilen Stromkreises widersprüchlich war.

Der typische instabile Strom tritt beim Laden und Entladen des Kondensators auf. Wie in der Abbildung unten gezeigt, gibt es während der kurzen Ladezeit des Kondensators einen instabilen Strom.

Aber der Stromkreis wird zwischen den Kondensatorplatten getrennt, was ein ernsthaftes Problem verursacht.

Angenommen, wir betrachten einen geschlossenen Pfad, der den Draht umgeht, wie in der Abbildung unten gezeigt, der mit C markierte Kreis und die gekrümmte Fläche mit ihm als Grenze können beliebig gewählt werden. In der Figur ist die Kreisebene, die von C selbst und über dem Kondensator eingeschlossen ist, ausgewählt. Die gewölbte Oberfläche der linken Platte.

An der Kreisfläche ist zu erkennen, dass nach der gekrümmten Fläche, aber als Schleifenintegral der magnetischen Feldstärke, deren Wert ermittelt werden soll!

Wie macht man?

Maxwell glaubt, dass der Schleifensatz von Ampere aufgestellt werden muss. Jetzt, wo es ein Problem gibt, muss es daran liegen, dass ein Teil der Strömung von uns noch nicht entdeckt wurde, aber es existiert!

Also, wie kann man diesen Teil des Stroms herausfinden?

Da das Problem zwischen den Platten liegt, beginnen Sie zwischen den Platten.

Durch Analysen stellte Maxwell fest, dass unabhängig vom Laden oder Entladen immer eine physikalische Größe zwischen den Kondensatorplatten vorhanden ist, die mit der Größe und Richtung des Stroms synchronisiert ist. Es ist die zeitliche Ableitung des Flusses des elektrischen Verschiebungsvektors, dh sie wird als Verschiebungsstrom definiert.

Wenn man bedenkt, dass dieser Teil der Teil des Stroms ist, der zuvor nicht entdeckt wurde, dann ist der gesamte Strom jetzt. Das heißt, obwohl der Stromkreis zwischen den Platten getrennt ist, gewährleisten die Ableitung des elektrischen Verschiebungsflusses und die Summe des Stroms insgesamt die Kontinuität des Stroms zu jeder Zeit.

Zurückkehrend zum vorherigen Widerspruch wissen wir nun, dass nach den Anforderungen des Stokesschen Theorems bei der Berechnung des Stromflusses für eine geschlossene Fläche auch die Dichte des Verschiebungsstroms, also die gesamte Ampereschleife, berücksichtigt werden sollte Theorem lautet daher: Durch „Entdecken“ dieser neuen Stromkomponente ist die Krise des Ampere-Schleifen-Theorems gelöst!

Der Grund, warum hier nicht „Einführung“ verwendet wird, sondern „Entdeckung“ wird hier verwendet. Was ich betonen möchte ist, dass diese Art von Strom keine mathematische Kompensation ist, sondern eine reale Sache, die jedoch noch nie zuvor entdeckt wurde.

Warum existiert es überhaupt? Da es wie ein Leitungsstrom als elektrischer Strom wirkt, erregt es ein magnetisches Feld äquivalent, außer dass es keine Bewegung elektrischer Ladungen gibt, kein Draht erforderlich ist und keine Joule-Wärme erzeugt werden kann, also wurde es ignoriert!

Aber es existiert tatsächlich für sich allein, halten Sie sich einfach zurück, es hat dort die ganze Zeit still das Magnetfeld erregt!

Mit anderen Worten, wenn wir einem Magnetfeld gegenüberstehen, ist die ursprüngliche Definition von Strom zu eng. Die Essenz des elektrischen Stroms ist nicht die Bewegung elektrischer Ladung, es sollte etwas sein, das ein magnetisches Feld anregen kann.

Bisher wurden die verschiedenen Stromformen eingeführt. Sie alle existieren objektiv und haben gemeinsam, dass alle Ströme das Magnetfeld gleichermaßen anregen können.