¿Qué es la corriente eléctrica? Primero recuerde, ¿cuál es la definición de corriente que hemos aprendido?

Simplemente, el movimiento direccional de partículas cargadas en un conductor es una corriente eléctrica.

Solo cuando una sustancia tiene partículas cargadas que pueden moverse libremente, puede transmitir corriente eléctrica, es decir, conducir electricidad. Estas partículas cargadas que participan en la conducción se denominan portadores. Para los metales, por ejemplo, solo los electrones externos de los átomos pueden actuar como portadores.

El “movimiento direccional” en la definición de corriente eléctrica a menudo se malinterpreta. Mucha gente piensa que se refiere a un movimiento con una determinada dirección, ¡claro que no! ¿No cambia la dirección del movimiento de los electrones en el circuito de CA?

De hecho, la orientación es relativa al “movimiento aleatorio”.

Dado que los electrones son partículas microscópicas, deben estar en movimiento térmico todo el tiempo. El movimiento térmico es un movimiento aleatorio, como se muestra en la figura siguiente.

Este movimiento es realmente muy rápido. Por ejemplo, en metales a temperatura ambiente, la velocidad del movimiento térmico electrónico es del orden de cientos de kilómetros por segundo.

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.

Ahora agregue un campo eléctrico al conductor, y el electrón superpone un movimiento direccional sobre la base del movimiento aleatorio. Suponiendo que el campo eléctrico está a la izquierda durante un cierto período de tiempo, el movimiento de los electrones se parece al siguiente. Las bolas rojas representan átomos de metal en la red cristalina y los puntos que se mueven rápidamente representan electrones libres.

¿Parece rápido? ¡Eso es porque el movimiento electrónico es realmente rápido! Pero, de hecho, el movimiento aleatorio, que representa una gran proporción, no contribuye a la corriente. Cuando se elimina el movimiento aleatorio, el resto es como la mirada lenta a continuación.

De hecho, el movimiento direccional de los electrones es mucho más lento que la velocidad del movimiento térmico. Este movimiento de “molienda” de los electrones se llama deriva o “deriva”. A veces, los electrones corren en la dirección opuesta debido a las colisiones con los átomos. Pero, en general, los electrones se mueven en una dirección.

Si el campo eléctrico cambia de dirección, la dirección de la deriva de los electrones también cambiará.

Por lo tanto, este tipo de movimiento direccional significa que la suma de las velocidades de todos los electrones que participan en la conducción en un momento determinado no es cero, sino que generalmente se encuentra en una dirección determinada. Esta dirección se puede cambiar en cualquier momento, y ese es el caso de la corriente alterna.

Por lo tanto, la corriente no es tanto el “movimiento direccional” de la carga eléctrica como el “movimiento colectivo” de la carga eléctrica.

La magnitud de la corriente en el conductor se expresa por la intensidad de la corriente. La intensidad de la corriente se define como la cantidad de electricidad que pasa a través de la sección transversal del conductor en una unidad de tiempo, a saber

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.

De hecho, otra cantidad física es responsable de la distribución de la corriente al área, que es la densidad de corriente.

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 .

Se supone que la sección transversal del conductor es, la concentración del portador es, la velocidad de deriva es y la carga cargada es.

Entonces la carga en el conductor en el lado izquierdo de la superficie es, y estas cargas pasarán a través de la superficie dentro de un cierto período de tiempo, entonces

Ésta es una expresión microscópica de la intensidad de la corriente.

La densidad de corriente es la distribución de la corriente al área, por lo que la magnitud de la densidad de corriente es, pero se define como un vector, y la dirección es la dirección del vector de velocidad de deriva de los portadores cargados positivamente, por lo que la deriva de electrones en el El metal se puede obtener a partir de esta velocidad, como un ejemplo a continuación.

Considere un alambre de cobre, asumiendo que cada átomo de cobre aporta un electrón como portador. Hay 1 mol de cobre, su volumen es, la masa molar es, la densidad es, entonces la concentración de portador del alambre de cobre es

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

Suponiendo que el radio del cable de cobre es de 0.8 mm, la corriente que fluye es de 15 A, = 1.6 C, y la velocidad de deriva de los electrones se calcula como

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

Para aquellos que estudian circuitos, lo anterior es la definición completa de corriente.

Pero en física, la definición anterior de corriente es en realidad solo una definición limitada. Las corrientes más generales no se limitan a los conductores, siempre que el movimiento de las cargas eléctricas sea corriente. Por ejemplo, cuando los electrones de un átomo de hidrógeno se mueven alrededor del núcleo, se forma una corriente eléctrica en su órbita.

Suppose the amount of electronic charge is and the period of movement is. Then every time that elapses, there is such a large amount of charge passing through any cross section of the loop, so the current intensity is based on the relationship between period, frequency and angular velocity, and the current can also be expressed as

Para otro ejemplo, un disco de metal cargado, que gira alrededor de su eje, también forma corrientes de bucle con diferentes radios.

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

Otherwise, would you give me a calculation of how much joule heat is generated per second by the electrons of the hydrogen atom?

De hecho, la corriente en el vacío no satisface la ley de Ohm. Porque, para la corriente eléctrica formada por el movimiento de partículas cargadas en el vacío, los portadores no chocan de manera similar a la red en el metal, por lo que el vacío no tiene resistencia ni conductancia.

El movimiento de cargas eléctricas genera corriente eléctrica y la propia carga eléctrica excita el campo eléctrico. Esto es fácil de provocar un malentendido. Por tanto, mucha gente piensa que el campo eléctrico de las partículas cargadas que forman la corriente eléctrica debe quedar expuesto. Pero, de hecho, para la corriente de conducción en un conductor general, los portadores fluyen sobre un fondo compuesto por una gran cantidad de iones metálicos cargados positivamente, ¡y el conductor en sí es 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!

Recordatorio: no confunda la “corriente equivalente” aquí con el “circuito equivalente” en el análisis de circuitos

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.

Quienes han estudiado el efecto fotoeléctrico saben que cuando el fotoelectrón se desplaza del cátodo al ánodo, si se ignora la influencia del aire, esta corriente es causada por el movimiento de cargas eléctricas en el vacío, y no hay resistencia, por lo que no está restringido por la ley de Ohm.

Entonces, ¿es esto lo único sobre la corriente eléctrica en física?

¡No! También hay dos tipos, a saber, la corriente de magnetización y la corriente de desplazamiento.

También son dos corrientes equivalentes, que, como su nombre indica, también se introducen para explicar el magnetismo. En otras palabras, ¡se han separado de la característica básica del “movimiento de carga” actual!

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

Don’t worry, and listen to me slowly.

Veamos primero la corriente magnetizante.

It was found that magnetism is caused by the movement of electricity (not considering the explanation of magnetism by the intrinsic properties of spin for the time being). In order to explain natural magnetism, French physicist Ampere put forward the hypothesis of “molecular circulation”.

Como se muestra en la figura siguiente, se puede considerar que cualquier átomo o molécula tiene una carga eléctrica que gira alrededor del centro, formando una pequeña corriente de bucle, es decir, “circulación molecular”.

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

Obviamente, la dirección del momento magnético es exactamente a lo largo de la dirección del campo magnético formado por la corriente circulante.

.

En circunstancias normales, la disposición de la circulación molecular de una sustancia es caótica, por lo que la sustancia no es magnética, como se muestra en el lado izquierdo de la siguiente figura. Cuando se somete a un campo magnético externo, estas circulaciones moleculares estarán aproximadamente ordenadas. Como se muestra en el lado derecho de la figura a continuación, sus momentos magnéticos están dispuestos en una dirección tanto como sea posible, al igual que innumerables agujas magnéticas pequeñas reunidas para formar un campo magnético total, y todo el material compuesto por ellas se vuelve magnético.

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.

Con base en esto, podemos pensar que una barra magnética es como un solenoide energizado. En otras palabras, ¡hay una corriente invisible enredada en la superficie del imán! Este tipo de corriente no se puede conectar ni utilizar. Está confinado a la superficie del imán. Lo llamamos “corriente de enlace” o “corriente de magnetización”.

Por lo tanto, la corriente de magnetización es una corriente, porque es la misma que la corriente formada por el movimiento de cargas eléctricas reales, que de manera equivalente pueden generar un campo magnético.

Veamos nuevamente la corriente de desplazamiento.

Según el teorema del bucle de Ampere, la integral de la intensidad del campo magnético en un camino cerrado es igual al flujo de la densidad de corriente en cualquier superficie curva delimitada por este camino, es decir, este teorema se denomina teorema de Stokes en matemáticas. Nos dice que la integral de un vector a lo largo de cualquier camino cerrado debe ser igual al flujo de su rizo (aquí) a cualquier superficie delimitada por el camino cerrado.

Dado que es un teorema matemático, siempre debe ser correcto, porque las matemáticas son un sistema lógico basado en axiomas.

Por lo tanto, ¡el teorema de bucle de amperios siempre debe ser válido!

Sin embargo, el talentoso físico escocés Maxwell descubrió que cuando se enfrentaba a un circuito de corriente inestable, el teorema del bucle de Ampere era contradictorio.

The typical unstable current occurs during the charging and discharging of the capacitor. As shown in the figure below, there is an unstable current during the short period of capacitor charging.

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

Suponga que consideramos un camino cerrado que pasa por alto el cable, como se muestra en la figura siguiente, el círculo marcado por C y la superficie curva con él como límite pueden seleccionarse arbitrariamente. En la figura, se selecciona el plano circular encerrado por el propio C y a través del condensador. La superficie curva de la placa izquierda.

De acuerdo con la superficie circular, se puede ver que de acuerdo con la superficie curva, pero como una integral de bucle de la intensidad del campo magnético, se debe determinar su valor.

¿Cómo hacer?

Maxwell cree que debe establecerse el teorema del bucle de Ampere. Ahora que hay un problema, debe ser porque una parte de la corriente no ha sido descubierta antes por nosotros, ¡pero existe!

Entonces, ¿cómo descubrir esta parte de la corriente?

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

A través del análisis, Maxwell descubrió que, independientemente de la carga o descarga, existe una cantidad física entre las placas del condensador en todo momento que está sincronizada con la magnitud y la dirección de la corriente. Es la derivada en el tiempo del flujo del vector de desplazamiento eléctrico, es decir, se define como la corriente de desplazamiento.

Si se considera que esta parte es la parte de la corriente que no se ha descubierto antes, entonces la corriente completa es ahora. Es decir, aunque el circuito entre las placas esté desconectado, la derivada del flujo de desplazamiento eléctrico y la suma de la corriente en conjunto, en su conjunto, aseguran la continuidad de la corriente en todo momento.

Volviendo a la contradicción anterior, ahora sabemos que, de acuerdo con los requisitos del teorema de Stokes, al calcular el flujo de densidad de corriente para una superficie cerrada, también se debe considerar la densidad de la corriente de desplazamiento, es decir, el bucle de amperios completo Por lo tanto, el teorema es: ¡Al “descubrir” este nuevo componente de corriente, se resuelve la crisis del Teorema del bucle de amperios!

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.

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!

Pero en realidad existe por sí mismo, solo mantén un perfil bajo, ¡ha estado excitando silenciosamente el campo magnético allí todo el tiempo!

En otras palabras, cuando nos enfrentamos a un campo magnético, la definición original de corriente es demasiado estrecha. La esencia de la corriente eléctrica no es el movimiento de la carga eléctrica, debe ser algo que pueda excitar un campo magnético.

Hasta ahora, se han introducido las diversas formas de corriente. Todos existen objetivamente, y lo que tienen en común es que todas las corrientes pueden excitar por igual el campo magnético.