جریان الکتریکی چیست؟ اول به یاد بیاورید، تعریف جریانی که آموخته ایم چیست؟

خیلی ساده، حرکت جهتی ذرات باردار در یک هادی یک جریان الکتریکی است.

فقط زمانی که یک ماده دارای ذرات باردار باشد که بتواند آزادانه حرکت کند، می تواند جریان الکتریکی را منتقل کند، یعنی جریان الکتریکی را منتقل کند. این ذرات باردار که در رسانش شرکت می کنند، حامل نامیده می شوند. به عنوان مثال، برای فلزات، فقط الکترون های بیرونی اتم ها می توانند به عنوان حامل عمل کنند.

“حرکت جهت” در تعریف جریان الکتریکی اغلب اشتباه گرفته می شود. خیلی ها فکر می کنند به حرکت با جهت خاصی اشاره دارد، البته نه! آیا جهت حرکت الکترون ها در مدار AC تغییر نمی کند؟

در واقع، جهت یابی نسبت به “حرکت تصادفی” است!

از آنجایی که الکترون ها ذرات میکروسکوپی هستند، باید همیشه در حرکت حرارتی باشند. حرکت حرارتی یک حرکت تصادفی است که در شکل زیر نشان داده شده است.

این حرکت در واقع بسیار سریع است. به عنوان مثال، در فلزات در دمای اتاق، سرعت حرکت حرارتی الکترونیکی در حد صدها کیلومتر در ثانیه است!

اگر به این حرکت تصادفی دقت کنید، متوجه خواهید شد که جهت حرکت هر ذره در هر لحظه تصادفی است. اگر بردارهای سرعت این ذرات را جمع کنید، نتیجه تقریبا صفر می شود.

حالا یک میدان الکتریکی به هادی اضافه کنید، و الکترون یک حرکت جهت دار را بر اساس حرکت تصادفی روی هم قرار می دهد. با فرض اینکه میدان الکتریکی برای مدت معینی به سمت چپ باشد، حرکت الکترون ها به شکل زیر است. گوی های قرمز نشان دهنده اتم های فلزی روی شبکه کریستالی هستند و نقاط با حرکت سریع نشان دهنده الکترون های آزاد هستند.

آیا سریع به نظر می رسد؟ به این دلیل که حرکت الکترونیکی واقعا سریع است! اما در واقع حرکت تصادفی که بخش بزرگی از آن را تشکیل می دهد، به جریان کمک نمی کند. هنگامی که حرکت تصادفی حذف شد، بقیه دقیقاً مانند نگاه آهسته زیر است.

در واقع، حرکت جهتی الکترون ها بسیار کندتر از سرعت حرکت حرارتی است. این حرکت “سنگ زدن” الکترون ها رانش یا “رانش” نامیده می شود. گاهی اوقات، الکترون ها به دلیل برخورد با اتم ها در جهت مخالف حرکت می کنند. اما به طور کلی الکترون ها در یک جهت حرکت می کنند.

اگر میدان الکتریکی تغییر جهت دهد، جهت رانش الکترون نیز تغییر خواهد کرد.

بنابراین، این نوع حرکت جهت دار به این معنی است که مجموع سرعت تمام الکترون های شرکت کننده در رسانش در یک زمان معین صفر نیست، بلکه عموماً در یک جهت معین است. این جهت را می توان در هر زمان تغییر داد، و آن مورد جریان متناوب است.

بنابراین، جریان آنقدر «حرکت جهتی» بار الکتریکی نیست، بلکه «حرکت جمعی» بار الکتریکی است.

مقدار جریان در هادی با شدت جریان بیان می شود. شدت جریان به عنوان مقدار برق عبوری از سطح مقطع هادی در واحد زمان تعریف می شود.

ما برخی از کمیت‌های فیزیکی را یاد گرفته‌ایم که حاوی کلمه «شدت» هستند، مانند شدت میدان الکتریکی و شدت القای مغناطیسی. آنها به طور کلی نشان دهنده تقسیم در واحد زمان، واحد سطح (یا واحد حجم، واحد زاویه جامد) هستند. با این حال، کلمه “شدت” در شدت فعلی، منعکس کننده تقسیم فعلی منطقه نیست.

در واقع، کمیت فیزیکی دیگری وظیفه توزیع جریان به ناحیه را بر عهده دارد که چگالی جریان است.

از آنجایی که جوهر جریان الکتریکی حرکت جهتی بار الکتریکی است، باید رابطه خاصی بین شدت جریان و سرعت دریفت وجود داشته باشد!

برای به دست آوردن این رابطه، ابتدا باید غلظت حامل مفهومی، یعنی تعداد حامل ها در حجم واحد را که با  بیان می شود، روشن کنیم.

فرض بر این است که سطح مقطع هادی، غلظت حامل، سرعت رانش و بار باردار است.

سپس بار در هادی سمت چپ سطح است و این بارها در مدت زمان معینی از سطح عبور می کنند.

این بیان میکروسکوپی شدت جریان است.

چگالی جریان تخصیص جریان به مساحت است، بنابراین مقدار چگالی جریان است، اما به عنوان یک بردار تعریف می شود، و جهت، جهت بردار سرعت رانش حامل های دارای بار مثبت است، بنابراین رانش الکترون ها در فلز را می توان از این Speed ​​به عنوان مثال زیر بدست آورد.

یک سیم مسی را در نظر بگیرید، با این فرض که هر اتم مس یک الکترون به عنوان حامل دارد. 1 مول مس است، حجم آن، جرم مولی، چگالی است، سپس غلظت حامل سیم مسی است.

ثابت آووگادرو کجاست. چگالی مس یافت می شود و مقدار به دست آمده با جایگزینی در حدود واحد/متر مکعب است.

با فرض اینکه شعاع سیم مسی 0.8 میلی متر است، جریان جریان 15A، = 1.6 C است، و سرعت رانش الکترون ها به صورت محاسبه می شود.

می توان دید که سرعت رانش الکترون ها در واقع بسیار کوچک است.

برای کسانی که مدارها را مطالعه می کنند، موارد بالا تعریف کامل جریان است.

اما در فیزیک، تعریف فوق از جریان در واقع فقط یک تعریف محدود است. جریان های عمومی تر به هادی ها محدود نمی شوند، تا زمانی که حرکت بارهای الکتریکی جریان داشته باشد. به عنوان مثال، هنگامی که الکترون های یک اتم هیدروژن در اطراف هسته حرکت می کنند، جریان الکتریکی در مدار آن تشکیل می شود.

فرض کنید مقدار شارژ الکترونیکی است و دوره حرکت است. سپس هر بار که می گذرد، مقدار زیادی بار از هر مقطعی از حلقه عبور می کند، بنابراین شدت جریان بر اساس رابطه بین دوره، فرکانس و سرعت زاویه ای است و جریان را می توان به صورت بیان کرد.

برای مثال دیگر، یک دیسک فلزی باردار که حول محور خود می چرخد، جریان های حلقه ای با شعاع های مختلف را نیز تشکیل می دهد.

این نوع جریان یک جریان رسانش معمولی نیست و نمی تواند گرمای ژول ایجاد کند! نمی تواند یک مدار واقعی تشکیل دهد.

در غیر این صورت، می‌توانید محاسبه کنید که الکترون‌های اتم هیدروژن چقدر گرمای ژول در هر ثانیه تولید می‌کنند؟

در واقع، جریان در خلاء قانون اهم را برآورده نمی کند. زیرا برای جریان الکتریکی ایجاد شده از حرکت ذرات باردار در خلاء، حامل ها مشابه شبکه فلزی با هم برخورد نمی کنند، بنابراین خلاء مقاومت و رسانایی ندارد.

حرکت بارهای الکتریکی جریان الکتریکی ایجاد می کند و بار الکتریکی خود میدان الکتریکی را تحریک می کند. این به راحتی باعث سوء تفاهم می شود. بنابراین بسیاری از مردم فکر می کنند که میدان الکتریکی ذرات باردار که جریان الکتریکی را تشکیل می دهند باید در معرض دید قرار گیرد. اما در واقع برای جریان رسانایی در یک هادی عمومی، حامل ها بر روی زمینه ای متشکل از تعداد زیادی یون فلزی با بار مثبت جریان دارند و خود هادی خنثی است!

ما اغلب این نوع جریان ویژه را “جریان معادل” می نامیم. معادل در اینجا به این معنی است که یک میدان مغناطیسی بر اساس یک جریان رسانش معمولی ایجاد می کند!

یادآوری: در تحلیل مدار، «جریان معادل» را در اینجا با «مدار معادل» اشتباه نگیرید.

در واقع، زمانی که ما برای اولین بار میدان مغناطیسی را مطالعه کردیم، جریان الکتریکی در قانون Biot-Saffar جریان الکتریکی تعمیم یافته ای بود که حاوی این جریان معادل بود. البته جریان رسانایی در معادلات ماکسول به جریان تعمیم یافته نیز اشاره دارد.

کسانی که اثر فوتوالکتریک را مطالعه کرده‌اند می‌دانند که وقتی فوتوالکترون از کاتد به آند رانش می‌کند، اگر تأثیر هوا نادیده گرفته شود، این جریان ناشی از حرکت بارهای الکتریکی در خلاء است و مقاومتی وجود ندارد، بنابراین توسط قانون اهم محدود نمی شود.

بنابراین، آیا این تنها چیزی است که در مورد جریان الکتریکی در فیزیک وجود دارد؟

نه! همچنین دو نوع وجود دارد، یعنی جریان مغناطیسی و جریان جابجایی.

آنها همچنین دو جریان معادل هستند که همانطور که از نام پیداست برای توضیح مغناطیس معرفی شده اند. به عبارت دیگر، آنها از ویژگی اصلی “جنبش شارژ” فعلی جدا شده اند!

این شگفت انگیز است! هیچ حرکت بار الکتریکی وجود ندارد، پس چرا می توان آن را جریان الکتریکی نامید؟

نگران نباش و آهسته به من گوش کن.

بیایید ابتدا جریان مغناطیسی را بررسی کنیم.

مشخص شد که مغناطیس ناشی از حرکت الکتریسیته است (در حال حاضر توضیح مغناطیس توسط خواص ذاتی اسپین در نظر گرفته نمی شود). آمپر، فیزیکدان فرانسوی، برای توضیح مغناطیس طبیعی، فرضیه «گردش مولکولی» را مطرح کرد.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، هر اتم یا مولکولی را می توان به عنوان دارای یک بار الکتریکی در نظر گرفت که در اطراف مرکز می چرخد ​​و یک جریان حلقه کوچک را تشکیل می دهد، یعنی “گردش مولکولی”.

با توجه به قانونی که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی را تحریک می کند، این گردش مولکولی مقداری فیزیکی به نام گشتاور مغناطیسی تولید می کند. اندازه آن ناحیه محصور شده توسط گردش مولکولی ضرب در جریان معادل گردش مولکولی است، و جهت آن در یک رابطه مارپیچی سمت راست با جهت گردش است، یعنی

بدیهی است که جهت گشتاور مغناطیسی دقیقاً در امتداد جهت میدان مغناطیسی تشکیل شده توسط جریان در گردش است.

.

در شرایط عادی، آرایش گردش مولکولی یک ماده آشفته است، بنابراین ماده مغناطیسی نیست، همانطور که در سمت چپ شکل زیر نشان داده شده است. هنگامی که در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند، این گردش های مولکولی تقریباً مرتب خواهند شد. همانطور که در سمت راست شکل زیر نشان داده شده است، گشتاورهای مغناطیسی آنها تا حد امکان در یک جهت مرتب شده اند، درست مانند تعداد بی شماری سوزن های کوچک مغناطیسی که در کنار هم جمع شده اند تا یک میدان مغناطیسی کامل را تشکیل دهند و کل مواد تشکیل شده از آنها مغناطیسی می شود.

فرض کنید یک آهنربای استوانه ای وجود دارد، گردش مولکولی درونی به طور مرتب چیده شده است، و بخش های هر گردش مولکولی در لبه بخش آهنربا به هم متصل شده اند تا یک گردش بزرگ را تشکیل دهند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

بر این اساس می توان تصور کرد که آهنربای میله ای مانند یک شیر برقی پرانرژی است. به عبارت دیگر، یک جریان نامرئی در سطح آهنربا در هم پیچیده است! این نوع جریان قابل اتصال و استفاده نیست. به سطح آهنربا محدود می شود. ما آن را “جریان اتصال” یا “جریان مغناطیسی” می نامیم.

بنابراین، جریان مغناطیسی یک جریان است، زیرا همان جریانی است که در اثر حرکت بارهای الکتریکی واقعی ایجاد می شود، که به طور معادل می تواند یک میدان مغناطیسی ایجاد کند!

بیایید دوباره به جریان جابجایی نگاه کنیم.

با توجه به قضیه حلقه آمپر، انتگرال شدت میدان مغناطیسی در یک مسیر بسته برابر است با شار چگالی جریان در هر سطح منحنی محدود به این مسیر، یعنی این قضیه در ریاضیات قضیه استوکس نامیده می شود. به ما می گوید که انتگرال یک بردار در امتداد هر مسیر بسته باید برابر با شار پیچش آن (در اینجا) به هر سطحی باشد که توسط مسیر بسته محدود شده است.

از آنجایی که این یک قضیه ریاضی است، باید همیشه صحیح باشد، زیرا ریاضیات یک سیستم منطقی مبتنی بر بدیهیات است.

بنابراین، قضیه حلقه آمپر همیشه باید برقرار باشد!

با این حال، ماکسول فیزیکدان با استعداد اسکاتلندی کشف کرد که وقتی با یک مدار جریان ناپایدار مواجه می‌شویم، قضیه حلقه آمپر متناقض است.

جریان ناپایدار معمولی در طول شارژ و تخلیه خازن رخ می دهد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک جریان ناپایدار در طول دوره کوتاه شارژ خازن وجود دارد.

اما مدار بین صفحات خازن قطع می شود که مشکل جدی ایجاد خواهد کرد.

فرض کنید مسیر بسته ای را در نظر بگیریم که سیم را دور می زند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، دایره ای که با C مشخص شده است و سطح منحنی با آن به عنوان مرز می تواند دلخواه انتخاب شود. در شکل، صفحه دایره ای محصور شده توسط خود C و در سراسر خازن انتخاب شده است. سطح منحنی صفحه سمت چپ.

با توجه به سطح دایره ای، می توان دریافت که با توجه به سطح منحنی، اما به عنوان یک انتگرال حلقه ای از قدرت میدان مغناطیسی، مقدار آن باید تعیین شود!

چطور انجام دادن؟

ماکسول معتقد است که قضیه حلقه آمپر باید ایجاد شود. حالا که مشکلی پیش اومده باید به این دلیل باشه که بخشی از جریان قبلا توسط ما کشف نشده ولی هست!

بنابراین، چگونه می توان این بخش از جریان را پیدا کرد؟

از آنجایی که مشکل بین صفحات است، از بین صفحات شروع کنید.

ماکسول از طریق تجزیه و تحلیل دریافت که صرف نظر از شارژ یا تخلیه، یک کمیت فیزیکی بین صفحات خازن همیشه وجود دارد که با مقدار و جهت جریان هماهنگ است. این مشتق زمانی از شار بردار جابجایی الکتریکی است، یعنی به عنوان جریان جابجایی تعریف می شود.

اگر در نظر گرفته شود که این قسمت بخشی از جریان است که قبلاً کشف نشده است، جریان کامل اکنون است. به این معنا که اگرچه مدار بین صفحات قطع شده است، مشتق شار جابجایی الکتریکی و مجموع جریان با هم، به طور کلی، تداوم جریان را در همه زمان ها تضمین می کند.

با بازگشت به تناقض قبلی، اکنون می دانیم که طبق الزامات قضیه استوکس، هنگام محاسبه شار چگالی جریان برای یک سطح بسته، چگالی جریان جابجایی نیز باید در نظر گرفته شود، یعنی حلقه آمپر کامل. بنابراین قضیه این است که با “کشف” این مؤلفه فعلی جدید، بحران قضیه حلقه آمپر حل می شود!

دلیل عدم استفاده از “مقدمه” در اینجا، اما “کشف” در اینجا استفاده شده است. چیزی که می خواهم تاکید کنم این است که این نوع جریان یک جبران ریاضی نیست، بلکه یک چیز واقعی است، اما قبلا کشف نشده است.

چرا در وهله اول وجود دارد؟ چون مانند جریان الکتریکی عمل می کند، مانند جریان رسانا، میدان مغناطیسی را به طور معادل تحریک می کند، با این تفاوت که نه حرکت بارهای الکتریکی وجود دارد، نه به سیم نیاز است و نه گرمای ژول تولید می شود، بنابراین نادیده گرفته شده است!

اما در واقع به خودی خود وجود دارد، فقط مشخصات خود را پایین نگه دارید، بی سر و صدا میدان مغناطیسی آنجا را در تمام مدت هیجان زده کرده است!

به عبارت دیگر، وقتی با میدان مغناطیسی روبرو هستیم، تعریف اصلی جریان بسیار محدود است. جوهر جریان الکتریکی حرکت بار الکتریکی نیست، باید چیزی باشد که بتواند یک میدان مغناطیسی را تحریک کند.

تاکنون انواع مختلفی از جریان معرفی شده است. همه آنها به طور عینی وجود دارند و وجه مشترک آنها این است که همه جریان ها می توانند به یک اندازه میدان مغناطیسی را تحریک کنند.