Mis on elektrivool? Kõigepealt tuletage meelde, mis on voolu määratlus, mille oleme õppinud?

Lihtsamalt öeldes on laetud osakeste suunaline liikumine juhis elektrivool.

Ainult siis, kui ainel on laetud osakesed, mis võivad vabalt liikuda, suudab see elektrivoolu edasi kanda, st juhtida elektrit. Neid laetud osakesi, mis osalevad juhtivuses, nimetatakse kandjateks. Näiteks metallide puhul võivad kandjatena toimida ainult aatomite välised elektronid.

“Suunaliikumist” elektrivoolu määratluses mõistetakse sageli valesti. Paljud arvavad, et see viitab teatud suunaga liikumisele, muidugi mitte! Kas elektronide liikumissuund vahelduvvooluahelas ei muutu?

Tegelikult on orienteerumine suhteline “juhusliku liikumisega”!

Kuna elektronid on mikroskoopilised osakesed, peavad nad olema kogu aeg termilises liikumises. Termiline liikumine on juhuslik liikumine, nagu on näidatud alloleval joonisel.

See liikumine on tegelikult väga kiire. Näiteks metallides toatemperatuuril on elektroonilise soojusliikumise kiirus suurusjärgus sadu kilomeetreid sekundis!

Kui vaatate seda juhuslikku liikumist tähelepanelikult, näete, et iga osakese liikumissuund on igal hetkel juhuslik. Kui liita nende osakeste kiirusvektorid, on tulemus peaaegu null.

Nüüd lisage juhile elektriväli ja elektron asetab juhusliku liikumise alusel suunalise liikumise. Eeldusel, et elektriväli on teatud aja jooksul vasakule, näeb elektronide liikumine välja järgmine. Punased pallid tähistavad kristallvõre metalliaatomeid ja kiiresti liikuvad punktid tähistavad vabu elektrone.

Kas see tundub kiire? Seda seetõttu, et elektrooniline liikumine on tõesti kiire! Kuid tegelikult ei aita juhuslik liikumine, mis moodustab sellest suure osa, voolu. Kui juhuslik liikumine on kõrvaldatud, on ülejäänu täpselt nagu allpool olev aeglane pilk.

Tõepoolest, elektronide suunaline liikumine on palju aeglasem kui soojusliikumise kiirus. Seda elektronide “lihvivat” liikumist nimetatakse triiviks või triiviks. Mõnikord jooksevad elektronid aatomitega kokkupõrgete tõttu vastupidises suunas. Kuid üldiselt liiguvad elektronid ühes suunas.

Kui elektriväli muudab suunda, muutub ka elektronide triivi suund.

Seetõttu tähendab selline suunaline liikumine, et kõigi juhtivuses osalevate elektronide kiiruste summa teatud ajahetkel ei ole null, vaid on üldiselt kindlas suunas. Seda suunda saab igal ajal muuta ja seda vahelduvvoolu puhul.

Seetõttu pole vool mitte niivõrd elektrilaengu “suunaline liikumine”, kuivõrd elektrilaengu “kollektiivne liikumine”.

Voolu suurust juhis väljendatakse voolu intensiivsusega. Voolutugevus on defineeritud kui elektrienergia kogus, mis läbib juhi ristlõike ajaühikus, nimelt

Oleme õppinud mõningaid füüsikalisi suurusi, mis sisaldavad sõna “intensiivsus”, näiteks elektrivälja intensiivsus ja magnetinduktsiooni intensiivsus. Tavaliselt tähistavad need jaotust ajaühikus, pindalaühikus (või ruumalaühikus, ruuminurga ühikus). Sõna “intensiivsus” praeguses intensiivsuses ei kajasta aga ala praegust jaotust.

Tegelikult vastutab voolu jaotamise eest alale teine ​​füüsiline suurus, mis on voolutihedus.

Kuna elektrivoolu olemus on elektrilaengu suunaline liikumine, siis peab voolutugevuse ja triivikiiruse vahel olema teatav seos!

Selle seose saamiseks peame esmalt selgitama mõiste-kandja kontsentratsiooni, see tähendab kandjate arvu ruumalaühikus, mida väljendatakse .

Eeldatakse, et juhi ristlõige on, kandja kontsentratsioon on, triivikiirus on ja laetud laeng on.

Siis on pinna vasakpoolses servas oleva juhi laeng ja need laengud läbivad pinna teatud aja jooksul, nii et

See on voolutugevuse mikroskoopiline väljend.

Voolutihedus on voolu jaotus pindalaga, seega on voolutiheduse suurus, kuid see on määratletud vektorina ja suund on positiivselt laetud kandjate triivikiiruse vektori suund, seega elektronide triiv metalli saab sellest Speedist hankida, nagu allpool toodud näide.

Vaatleme vasktraati, eeldades, et iga vase aatom annab elektroni kandjana. Vaske on 1 mol, selle maht on, molaarmass on, tihedus on, siis vasktraadi kandja kontsentratsioon on

Kus on Avogadro konstant. Leitakse vase tihedus ja asendamisel saadud väärtus on umbes ühik/kuupmeeter.

Eeldades, et vasktraadi raadius on 0.8 mm, on voolav vool 15A, =1.6 C ja elektronide triivikiirus arvutatakse järgmiselt.

On näha, et elektronide triivikiirus on tõepoolest väga väike.

Neile, kes uurivad vooluahelaid, on ülaltoodud voolu täielik määratlus.

Kuid füüsikas on ülaltoodud voolu määratlus tegelikult vaid kitsas määratlus. Üldisemad voolud ei piirdu ainult juhtidega, kui elektrilaengute liikumine on vool. Näiteks kui vesinikuaatomi elektronid liiguvad ümber tuuma, tekib selle orbiidil elektrivool.

Oletame, et elektroonilise laengu suurus on ja liikumise periood on. Siis iga kord, kui see möödub, läbib kontuuri mis tahes ristlõiget nii suur kogus laengut, nii et voolu intensiivsus põhineb perioodi, sageduse ja nurkkiiruse vahelisel suhtel ning voolu saab väljendada ka järgmiselt.

Teise näitena moodustab laetud metallketas, mis pöörleb ümber oma telje, samuti erineva raadiusega silmusvoolu.

Selline vool ei ole tavaline juhtivusvool ega saa tekitada džauli soojust! Ei saa moodustada tõelist vooluringi.

Vastasel juhul annaksite mulle arvutuse, kui palju džauli soojust sekundis tekitavad vesinikuaatomi elektronid?

Tegelikult ei vasta vaakumis olev vool Ohmi seadusele. Kuna laetud osakeste vaakumis liikumisel tekkiva elektrivoolu korral ei põrgata kandjaid sarnaselt metallis oleva võrega kokku, mistõttu vaakumil puudub takistus ja juhtivus.

Elektrilaengute liikumine tekitab elektrivoolu ja elektrilaeng ise ergastab elektrivälja. Sellest on lihtne arusaamatust tekitada. Seetõttu arvavad paljud, et elektrivoolu moodustavate laetud osakeste elektriväli tuleb paljastada. Kuid tegelikult voolavad kandjad üldjuhi juhtivusvoolu taustal, mis koosneb suurest hulgast positiivselt laetud metalliioonidest, ja juht ise on neutraalne!

Me nimetame seda tüüpi erivoolu sageli “ekvivalentvooluks”. Ekvivalent tähendab siin seda, et see tekitab magnetvälja samadel alustel kui tavaline juhtivusvool!

Meeldetuletus: ärge ajage vooluahela analüüsis segamini “ekvivalentvoolu” ja “ekvivalentset vooluahelat”

Tegelikult, kui me esimest korda magnetvälja uurisime, oli Biot-Saffari seaduses elektrivool üldistatud elektrivool, mis sisaldas seda samaväärset voolu. Loomulikult viitab juhtivusvool Maxwelli võrrandites ka üldistatud voolule.

Fotoelektriefekti uurinud teavad, et kui fotoelektron triivib katoodilt anoodile, siis õhu mõju ignoreerimisel tekib see vool elektrilaengute liikumisest vaakumis ning takistust pole, seega ei ole Ohmi seadusega piiratud.

Niisiis, kas see on ainus asi elektrivoolu kohta füüsikas?

Ei! Samuti on kahte tüüpi, nimelt magnetiseerimisvool ja nihkevool.

Need on ka kaks samaväärset voolu, mida, nagu nimigi ütleb, tutvustatakse samuti magnetismi selgitamiseks. Teisisõnu, nad on lahti murdnud praeguse “laengu liikumise” põhiomadusest!

See on hämmastav! Elektrilaengu liikumist ei toimu, miks siis võib seda nimetada elektrivooluks?

Ärge muretsege ja kuulake mind aeglaselt.

Vaatame kõigepealt magnetiseerimisvoolu.

Leiti, et magnetismi põhjustab elektri liikumine (arvestamata esialgu magnetismi seletamist spinni olemuslike omadustega). Loomuliku magnetismi selgitamiseks esitas prantsuse füüsik Ampere hüpoteesi “molekulaarsest tsirkulatsioonist”.

Nagu on näidatud alloleval joonisel, võib mis tahes aatomit või molekuli pidada elektrilaenguks, mis pöörleb ümber keskpunkti, moodustades väikese ahela voolu, see tähendab “molekulaarse tsirkulatsiooni”.

Vastavalt seadusele, et elektrivool ergastab magnetvälja, tekitab see molekulaarne tsirkulatsioon füüsikalise suuruse, mida nimetatakse magnetmomendiks. Selle suurus on molekulaarse tsirkulatsiooniga ümbritsetud ala, mis on korrutatud molekulaarse tsirkulatsiooni ekvivalentvooluga ja selle suund on tsirkulatsiooni suunaga parempoolses spiraalis, nimelt

Ilmselgelt on magnetmomendi suund täpselt mööda ringvoolu poolt moodustatud magnetvälja suunda

.

Tavaolukorras on aine molekulaarse tsirkulatsiooni paigutus kaootiline, seega ei ole aine magnetiline, nagu on näidatud alloleva joonise vasakus servas. Välise magnetvälja mõjul on need molekulaarsed tsirkulatsioonid ligikaudu korralikult paigutatud. Nagu on näidatud alloleva joonise paremal küljel, on nende magnetmomendid paigutatud võimalikult ühes suunas, täpselt nagu lugematu arv väikeseid magnetnõelu, mis on kokku koondatud, moodustades kogu magnetvälja, ja kogu neist koosnev materjal muutub magnetiliseks.

Oletame, et seal on silindriline magnet, sisemine molekulaarne tsirkulatsioon on korralikult paigutatud ja iga molekulaarse tsirkulatsiooni osad magnetosa servas on omavahel ühendatud, et moodustada suur tsirkulatsioon, nagu on näidatud alloleval joonisel.

Selle põhjal võime arvata, et varrasmagnet on nagu pingestatud solenoid. Teisisõnu, magneti pinnale on takerdunud nähtamatu vool! Sellist voolu ei saa ühendada ja kasutada. See piirdub magneti pinnaga. Me nimetame seda “sidevooluks” või “magnetiseerivaks vooluks”.

Seetõttu on magnetiseeriv vool vool, kuna see on sama, mis reaalsete elektrilaengute liikumisel tekkiv vool, mis võib samaväärselt tekitada magnetvälja!

Vaatame uuesti nihkevoolu.

Ampere’i ahela teoreemi kohaselt on magnetvälja tugevuse integraal suletud teel võrdne voolutiheduse vooga mis tahes selle teega piiratud kõvera pinnal, see tähendab, et seda teoreemi nimetatakse matemaatikas Stokesi teoreemiks. See ütleb meile, et vektori integraal piki suletud rada peab olema võrdne selle keerdumise vooga (siin) mis tahes pinnaga, mis on piiratud suletud teega.

Kuna tegemist on matemaatilise teoreemiga, peab see alati õige olema, sest matemaatika on aksioomidel põhinev loogiline süsteem.

Seetõttu peab amprisilmuse teoreem alati kehtima!

Andekas šoti füüsik Maxwell avastas aga, et ebastabiilse vooluahelaga silmitsi seistes oli Ampere’i ahela teoreem vastuoluline.

Tüüpiline ebastabiilne vool tekib kondensaatori laadimise ja tühjenemise ajal. Nagu on näidatud alloleval joonisel, on kondensaatori lühiajalise laadimise ajal ebastabiilne vool.

Kuid vooluahel on kondensaatoriplaatide vahel lahti ühendatud, mis põhjustab tõsiseid probleeme.

Oletame, et käsitleme suletud rada, mis möödub traadist, nagu on näidatud alloleval joonisel, C-ga tähistatud ringi ja selle kõvera pinna saab suvaliselt valida. Joonisel on valitud ringikujuline tasapind, mis on ümbritsetud C endaga ja üle kondensaatori. Vasaku plaadi kumer pind.

Ringpinna järgi on näha, et kõvera pinna järgi, aga magnetvälja tugevuse silmusintegraalina tuleks määrata selle väärtus!

Kuidas teha?

Maxwell usub, et Ampere’i ahela teoreem tuleb kehtestada. Nüüd, kus probleem on, peab see olema, sest osa voolust pole meie poolt varem avastanud, kuid see on olemas!

Niisiis, kuidas seda vooluosa teada saada?

Kuna probleem on plaatide vahel, alusta plaatide vahelt.

Analüüsi abil leidis Maxwell, et sõltumata laadimisest või tühjenemisest on kondensaatoriplaatide vahel kogu aeg füüsiline suurus, mis on sünkroniseeritud voolu suuruse ja suunaga. See on elektrilise nihkevektori voo aja tuletis, see tähendab, et see on määratletud kui nihkevool.

Kui arvestada, et see osa on see osa voolust, mida pole varem avastatud, siis täisvool on praegu. See tähendab, et kuigi plaatide vaheline vooluahel on lahti ühendatud, tuleb elektrilise nihkevoo ja voolu summa tuletis tervikuna tagada voolu järjepidevus kogu aeg.

Tulles tagasi eelmise vastuolu juurde, siis nüüd teame, et Stokesi teoreemi nõuete kohaselt tuleks suletud pinna voolutiheduse voo arvutamisel arvesse võtta ka nihkevoolu tihedust ehk täielikku amprikontuuri. teoreem on seega: “Avastades” selle uue voolukomponendi, lahendatakse Ampere Loop teoreemi kriis!

Põhjus, miks siin ei kasutata “sissejuhatus”, vaid siin kasutatakse “avastamist”. Tahan rõhutada, et selline vool ei ole matemaatiline kompensatsioon, vaid reaalne asi, kuid seda pole varem avastatud.

Miks see üldse olemas on? Kuna see toimib elektrivooluna, nagu juhtivusvool, ergastab see samaväärselt magnetvälja, välja arvatud see, et elektrilaenguid ei liiguta, juhet pole vaja ja džauli soojust ei saa tekitada, seega on see tähelepanuta jäetud!

Aga tegelikult on see iseenesest olemas, hoia ainult madalat profiili, seal on kogu aeg vaikselt erutanud magnetväli!

Teisisõnu, kui me seisame silmitsi magnetväljaga, on voolu esialgne määratlus liiga kitsas. Elektrivoolu olemus ei ole elektrilaengu liikumine, see peaks olema midagi, mis suudab magnetvälja ergutada.

Siiani on kasutusele võetud mitmed vooluvormid. Nad kõik eksisteerivad objektiivselt ja neil on ühine see, et kõik voolud võivad võrdselt magnetvälja ergutada.