વિદ્યુત પ્રવાહ શું છે? પ્રથમ યાદ કરો, આપણે શીખ્યા વર્તમાનની વ્યાખ્યા શું છે?

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

Only when a substance has charged particles that can move freely, it can transmit electric current—that is, conduct electricity. These charged particles that participate in conduction are called carriers. For metals, for example, only the outer electrons of atoms can act as carriers.

વિદ્યુત પ્રવાહની વ્યાખ્યામાં “દિશાની હિલચાલ” ઘણીવાર ગેરસમજ થાય છે. ઘણા લોકો વિચારે છે કે તે ચોક્કસ દિશા સાથે ચળવળનો સંદર્ભ આપે છે, અલબત્ત નહીં! શું AC સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલની દિશા બદલાતી નથી?

વાસ્તવમાં, ઓરિએન્ટીયરિંગ “રેન્ડમ મૂવમેન્ટ” ને સંબંધિત છે!

ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપિક કણો હોવાથી, તેઓ હંમેશા થર્મલ ગતિમાં હોવા જોઈએ. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, થર્મલ ગતિ એ રેન્ડમ ગતિ છે.

This movement is actually very fast. For example, in metals at room temperature, the speed of electronic thermal movement is on the order of hundreds of kilometers per second!

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.

Now add an electric field to the conductor, and the electron superimposes a directional movement on the basis of random movement. Assuming that the electric field is to the left for a certain period of time, the movement of the electrons looks like the following. The red balls represent metal atoms on the crystal lattice, and the fast moving dots represent free electrons.

શું તે ઝડપી દેખાય છે? તે એટલા માટે છે કારણ કે ઇલેક્ટ્રોનિક ચળવળ ખરેખર ઝડપી છે! પરંતુ વાસ્તવમાં, રેન્ડમ ગતિ, જે તેનો મોટો હિસ્સો ધરાવે છે, તે વર્તમાનમાં ફાળો આપતી નથી. જ્યારે રેન્ડમ ગતિ નાબૂદ થાય છે, ત્યારે બાકીની નીચે ધીમા દેખાવની જેમ જ છે.

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.

If the electric field changes direction, the direction of electron drift will also change.

Therefore, this kind of directional movement means that the sum of the speeds of all the electrons participating in the conduction at a certain time is not zero, but is generally in a certain direction. This direction can be changed at any time, and that is the case of alternating current.

તેથી, વિદ્યુતપ્રવાહ એ ઈલેક્ટ્રિક ચાર્જની એટલી “દિશાત્મક હિલચાલ” નથી કારણ કે તે ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની “સામૂહિક ચળવળ” છે.

વાહકમાં વર્તમાનની તીવ્રતા વર્તમાન તીવ્રતા દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. વર્તમાન તીવ્રતા એક યુનિટના સમયમાં કંડક્ટરના ક્રોસ-સેક્શનમાંથી પસાર થતી વીજળીના જથ્થા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે, એટલે કે

અમે કેટલાક ભૌતિક જથ્થાઓ શીખ્યા છે જેમાં “તીવ્રતા” શબ્દ છે, જેમ કે ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની તીવ્રતા અને ચુંબકીય ઇન્ડક્શન તીવ્રતા. તેઓ સામાન્ય રીતે એકમ સમય, એકમ વિસ્તાર (અથવા એકમ વોલ્યુમ, એકમ ઘન કોણ) દીઠ વિભાજનનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. જો કે, વર્તમાન તીવ્રતામાં શબ્દ “તીવ્રતા” વિસ્તારના વર્તમાન વિભાજનને પ્રતિબિંબિત કરતો નથી.

In fact, another physical quantity is responsible for the distribution of current to area, which is current density.

ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહનો સાર એ ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની દિશાત્મક હિલચાલ હોવાથી, વર્તમાનની તીવ્રતા અને પ્રવાહની ગતિ વચ્ચે ચોક્કસ સંબંધ હોવો જોઈએ!

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 .

એવું માનવામાં આવે છે કે વાહક ક્રોસ સેક્શન છે, વાહક એકાગ્રતા છે, ડ્રિફ્ટ વેગ છે, અને ચાર્જ થયેલ ચાર્જ છે.

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

આ વર્તમાન તીવ્રતાની માઇક્રોસ્કોપિક અભિવ્યક્તિ છે.

વર્તમાન ઘનતા એ વિદ્યુતપ્રવાહનું ક્ષેત્રફળનું વિભાજન છે, તેથી વર્તમાન ઘનતાની તીવ્રતા છે, પરંતુ તેને વેક્ટર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે, અને દિશા એ સકારાત્મક ચાર્જ થયેલા વાહકોના ડ્રિફ્ટ વેગ વેક્ટરની દિશા છે, તેથી ઇલેક્ટ્રોનનું ડ્રિફ્ટ આ સ્પીડમાંથી ધાતુ મેળવી શકાય છે, નીચેના ઉદાહરણ તરીકે.

તાંબાના વાયરને ધ્યાનમાં લો, એમ ધારી રહ્યા છીએ કે દરેક તાંબાના અણુ ઇલેક્ટ્રોનને વાહક તરીકે પ્રદાન કરે છે. તાંબાનું 1 મોલ છે, તેનું પ્રમાણ છે, દાઢનું દળ છે, ઘનતા છે, તો તાંબાના વાયરની વાહક સાંદ્રતા છે

એવોગાડ્રોનો અચલ ક્યાં છે. તાંબાની ઘનતા જોવા મળે છે, અને તેને બદલીને મેળવેલ મૂલ્ય લગભગ એકમ/ઘન મીટર છે.

ધારીએ છીએ કે તાંબાના વાયરની ત્રિજ્યા 0.8mm છે, વર્તમાન પ્રવાહ 15A, =1.6 C છે, અને ઇલેક્ટ્રોનનો ડ્રિફ્ટ વેગ આ રીતે ગણવામાં આવે છે

તે જોઈ શકાય છે કે ઈલેક્ટ્રોનની ડ્રિફ્ટ સ્પીડ ખરેખર ઘણી ઓછી છે.

જેઓ સર્કિટનો અભ્યાસ કરે છે, તેમના માટે ઉપરોક્ત વર્તમાનની સંપૂર્ણ વ્યાખ્યા છે.

પરંતુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, વર્તમાનની ઉપરની વ્યાખ્યા વાસ્તવમાં માત્ર એક સાંકડી વ્યાખ્યા છે. જ્યાં સુધી વિદ્યુત શુલ્કની હિલચાલ વર્તમાન છે ત્યાં સુધી વધુ સામાન્ય પ્રવાહો કંડક્ટર સુધી મર્યાદિત નથી. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે હાઇડ્રોજન અણુના ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની આસપાસ ફરે છે, ત્યારે તેની ભ્રમણકક્ષામાં ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ રચાય છે.

ધારો કે ઈલેક્ટ્રોનિક ચાર્જનું પ્રમાણ છે અને હિલચાલનો સમયગાળો છે. પછી દર વખતે જ્યારે વીતી જાય છે, ત્યારે લૂપના કોઈપણ ક્રોસ સેક્શનમાંથી પસાર થતા ચાર્જનો આટલો મોટો જથ્થો હોય છે, તેથી વર્તમાનની તીવ્રતા સમયગાળા, આવર્તન અને કોણીય વેગ વચ્ચેના સંબંધ પર આધારિત હોય છે, અને વર્તમાનને આ રીતે પણ વ્યક્ત કરી શકાય છે.

For another example, a charged metal disk, rotating around its axis, also forms loop currents with different radii.

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

નહિંતર, શું તમે મને હાઇડ્રોજન અણુના ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા પ્રતિ સેકન્ડમાં કેટલી જૌલ ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે તેની ગણતરી કરશો?

વાસ્તવમાં, શૂન્યાવકાશમાં પ્રવાહ ઓહ્મના નિયમને સંતોષતો નથી. કારણ કે, શૂન્યાવકાશમાં ચાર્જ થયેલા કણોની હિલચાલથી બનેલા વિદ્યુત પ્રવાહ માટે, વાહકો ધાતુમાં જાળીની જેમ અથડાતા નથી, તેથી શૂન્યાવકાશમાં કોઈ પ્રતિકાર અને વાહકતા હોતી નથી.

વિદ્યુત શુલ્કની હિલચાલ વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે, અને વિદ્યુત ચાર્જ પોતે જ વિદ્યુત ક્ષેત્રને ઉત્તેજિત કરે છે. આનાથી ગેરસમજ ઉભી કરવી સરળ છે. તેથી ઘણા લોકો વિચારે છે કે ચાર્જ કરેલા કણોનું ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર જે ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ બનાવે છે તે ખુલ્લું હોવું જોઈએ. પરંતુ વાસ્તવમાં, સામાન્ય વાહકમાં વહન પ્રવાહ માટે, વાહકો મોટી સંખ્યામાં હકારાત્મક ચાર્જ મેટલ આયનોની બનેલી પૃષ્ઠભૂમિ પર વહે છે, અને વાહક પોતે તટસ્થ છે!

અમે ઘણીવાર આ પ્રકારના વિશિષ્ટ પ્રવાહને “સમાન પ્રવાહ” કહીએ છીએ. અહીં સમકક્ષનો અર્થ એ છે કે તે સામાન્ય વહન પ્રવાહની જેમ સમાન ધોરણે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે!

Reminder: Do not confuse the “equivalent current” here with the “equivalent circuit” in circuit analysis

વાસ્તવમાં, જ્યારે આપણે સૌપ્રથમ ચુંબકીય ક્ષેત્રનો અભ્યાસ કર્યો, ત્યારે બાયોટ-સફરના નિયમમાં વિદ્યુત પ્રવાહ એ સામાન્યકૃત વિદ્યુત પ્રવાહ હતો જેમાં આ સમકક્ષ પ્રવાહનો સમાવેશ થતો હતો. અલબત્ત, મેક્સવેલના સમીકરણોમાં વહન પ્રવાહ સામાન્યકૃત પ્રવાહનો પણ ઉલ્લેખ કરે છે.

જેમણે ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસરનો અભ્યાસ કર્યો છે તેઓ જાણે છે કે જ્યારે ફોટોઈલેક્ટ્રોન કેથોડથી એનોડ તરફ જાય છે, જો હવાના પ્રભાવને અવગણવામાં આવે છે, તો આ પ્રવાહ શૂન્યાવકાશમાં ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની હિલચાલને કારણે થાય છે, અને તેમાં કોઈ પ્રતિકાર નથી, તેથી તે ઓહ્મના કાયદા દ્વારા પ્રતિબંધિત નથી.

So, is this the only thing about electric current in physics?

ના! ત્યાં પણ બે પ્રકાર છે, એટલે કે ચુંબકીય પ્રવાહ અને વિસ્થાપન વર્તમાન.

તે બે સમાન પ્રવાહો પણ છે, જે નામ સૂચવે છે તેમ, ચુંબકત્વને સમજાવવા માટે પણ રજૂ કરવામાં આવ્યા છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, તેઓ વર્તમાન “ચાર્જ ચળવળ” ની મૂળભૂત લાક્ષણિકતાથી દૂર થઈ ગયા છે!

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

ચિંતા કરશો નહીં, અને મારી વાત ધીમેથી સાંભળો.

ચાલો પહેલા ચુંબકીય પ્રવાહ જોઈએ.

એવું જાણવા મળ્યું હતું કે ચુંબકત્વ વીજળીની હિલચાલને કારણે થાય છે (અત્યાર સુધી સ્પિનના આંતરિક ગુણધર્મો દ્વારા ચુંબકત્વની સમજૂતીને ધ્યાનમાં લેતા નથી). કુદરતી ચુંબકત્વને સમજાવવા માટે, ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી એમ્પીયરે “મોલેક્યુલર પરિભ્રમણ” ની પૂર્વધારણા આગળ મૂકી.

As shown in the figure below, any atom or molecule can be regarded as having an electric charge rotating around the center, forming a tiny loop current, that is, “molecular circulation”.

વિદ્યુત પ્રવાહ ચુંબકીય ક્ષેત્રને ઉત્તેજિત કરે છે તે કાયદા અનુસાર, આ પરમાણુ પરિભ્રમણ ચુંબકીય ક્ષણ તરીકે ઓળખાતી ભૌતિક માત્રા ઉત્પન્ન કરશે. તેનું કદ પરમાણુ પરિભ્રમણના સમકક્ષ પ્રવાહ દ્વારા ગુણાકાર કરીને પરમાણુ પરિભ્રમણ દ્વારા ઘેરાયેલો વિસ્તાર છે અને તેની દિશા પરિભ્રમણની દિશા સાથે જમણા હાથના સર્પાકાર સંબંધમાં છે, એટલે કે

Obviously, the direction of the magnetic moment is exactly along the direction of the magnetic field formed by the circulating current

.

સામાન્ય સંજોગોમાં, પદાર્થના પરમાણુ પરિભ્રમણની વ્યવસ્થા અસ્તવ્યસ્ત હોય છે, તેથી તે પદાર્થ ચુંબકીય નથી, નીચેની આકૃતિની ડાબી બાજુએ બતાવ્યા પ્રમાણે. જ્યારે બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રને આધિન કરવામાં આવે છે, ત્યારે આ પરમાણુ પરિભ્રમણ લગભગ સરસ રીતે ગોઠવવામાં આવશે. નીચેની આકૃતિની જમણી બાજુએ બતાવ્યા પ્રમાણે, તેમની ચુંબકીય ક્ષણો શક્ય તેટલી એક દિશામાં ગોઠવાય છે, જેમ કે અસંખ્ય નાની ચુંબકીય સોય એકસાથે ભેગા થઈને કુલ ચુંબકીય ક્ષેત્ર બનાવે છે, અને તેમાંથી બનેલી સમગ્ર સામગ્રી ચુંબકીય બની જાય છે.

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.

Based on this, we can think that a bar magnet is like an energized solenoid. In other words, there is an invisible current entangled on the surface of the magnet! This kind of current cannot be connected and used. It is confined to the surface of the magnet. We call it “binding current” or “magnetizing current”.

તેથી, ચુંબકીય પ્રવાહ એ વર્તમાન છે, કારણ કે તે વાસ્તવિક ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની હિલચાલ દ્વારા રચાયેલ વર્તમાન સમાન છે, જે સમાનરૂપે ચુંબકીય ક્ષેત્ર પેદા કરી શકે છે!

ચાલો ફરીથી વિસ્થાપન પ્રવાહ જોઈએ.

એમ્પીયરના લૂપ પ્રમેય મુજબ, બંધ પાથ પર ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિનો અભિન્ન ભાગ આ પાથ દ્વારા બંધાયેલ કોઈપણ વક્ર સપાટી પર વર્તમાન ઘનતાના પ્રવાહ જેટલો છે, એટલે કે, આ પ્રમેયને ગણિતમાં સ્ટોક્સનું પ્રમેય કહેવામાં આવે છે. તે અમને જણાવે છે કે કોઈપણ બંધ પાથ સાથે વેક્ટરનું અવિભાજ્ય તેના કર્લ (અહીં) બંધ પાથ દ્વારા બંધાયેલ કોઈપણ સપાટી પરના પ્રવાહ જેટલું હોવું જોઈએ.

કારણ કે તે ગાણિતિક પ્રમેય છે, તે હંમેશા સાચો હોવો જોઈએ, કારણ કે ગણિત એ સ્વયંસિદ્ધ સિદ્ધાંતો પર આધારિત એક તાર્કિક પ્રણાલી છે.

તેથી, એમ્પીયર લૂપ પ્રમેય હંમેશા પકડી રાખવો જોઈએ!

જો કે, પ્રતિભાશાળી સ્કોટિશ ભૌતિકશાસ્ત્રી મેક્સવેલે શોધી કાઢ્યું હતું કે જ્યારે અસ્થિર વર્તમાન સર્કિટનો સામનો કરવો પડે છે, ત્યારે એમ્પીયર લૂપ પ્રમેય વિરોધાભાસી હતો.

લાક્ષણિક અસ્થિર પ્રવાહ કેપેસિટરના ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન થાય છે. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, કેપેસિટર ચાર્જિંગના ટૂંકા ગાળા દરમિયાન અસ્થિર પ્રવાહ છે.

પરંતુ કેપેસિટર પ્લેટો વચ્ચે સર્કિટ ડિસ્કનેક્ટ થઈ ગઈ છે, જે ગંભીર સમસ્યાનું કારણ બનશે.

ધારો કે આપણે બંધ પાથને ધ્યાનમાં લઈએ જે વાયરને બાયપાસ કરે છે, નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, C દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ વર્તુળ અને તેની સાથેની વક્ર સપાટીને સીમા તરીકે મનસ્વી રીતે પસંદ કરી શકાય છે. આકૃતિમાં, C પોતે અને સમગ્ર કેપેસિટર દ્વારા બંધાયેલ ગોળાકાર પ્લેન પસંદ કરેલ છે. ડાબી પ્લેટની વક્ર સપાટી.

ગોળાકાર સપાટી મુજબ, તે જોઈ શકાય છે કે વક્ર સપાટી અનુસાર, પરંતુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની મજબૂતાઈના લૂપના અભિન્ન અંગ તરીકે, તેનું મૂલ્ય નક્કી કરવું જોઈએ!

કેવી રીતે કરવું?

મેક્સવેલ માને છે કે એમ્પીયરનું લૂપ પ્રમેય સ્થાપિત હોવું જ જોઈએ. હવે જ્યારે કોઈ સમસ્યા છે, તો તે હોવું જોઈએ કારણ કે વર્તમાનનો એક ભાગ આપણા દ્વારા અગાઉ શોધાયો નથી, પરંતુ તે અસ્તિત્વમાં છે!

So, how to find out this part of the current?

સમસ્યા પ્લેટો વચ્ચે હોવાથી, પ્લેટો વચ્ચેથી શરૂ કરો.

વિશ્લેષણ દ્વારા, મેક્સવેલને જાણવા મળ્યું કે ચાર્જિંગ અથવા ડિસ્ચાર્જિંગને ધ્યાનમાં લીધા વિના, કેપેસિટર પ્લેટો વચ્ચે દરેક સમયે ભૌતિક જથ્થો હોય છે જે વર્તમાનની તીવ્રતા અને દિશા સાથે સમન્વયિત થાય છે. તે વિદ્યુત વિસ્થાપન વેક્ટરના પ્રવાહનો સમય વ્યુત્પન્ન છે, એટલે કે, તેને વિસ્થાપન પ્રવાહ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.

If it is considered that this part is the part of the current that has not been discovered before, then the complete current is now. That is to say, although the circuit between the plates is disconnected, the derivative of the electric displacement flux and the sum of the current together, as a whole , Ensure the continuity of the current at all times.

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!

કારણ કે અહીં “પરિચય” નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો નથી, પરંતુ “શોધ” નો ઉપયોગ અહીં કરવામાં આવ્યો છે. હું જે ભાર આપવા માંગુ છું તે એ છે કે આ પ્રકારનો પ્રવાહ ગાણિતિક વળતર નથી, પરંતુ એક વાસ્તવિક વસ્તુ છે, પરંતુ તે પહેલાં શોધાયેલ નથી.

શા માટે તે પ્રથમ સ્થાને અસ્તિત્વમાં છે? કારણ કે તે વિદ્યુત પ્રવાહ તરીકે કાર્ય કરે છે, વહન પ્રવાહની જેમ, તે ચુંબકીય ક્ષેત્રને સમાન રીતે ઉત્તેજિત કરે છે, સિવાય કે ત્યાં ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની કોઈ હિલચાલ નથી, કોઈ વાયરની જરૂર નથી, અને કોઈ જૌલ ગરમી ઉત્પન્ન કરી શકાતી નથી, તેથી તેને અવગણવામાં આવી છે!

પરંતુ તે વાસ્તવમાં પોતે જ અસ્તિત્વ ધરાવે છે, માત્ર એક નીચી પ્રોફાઇલ રાખો, તે હંમેશા ત્યાં ચુંબકીય ક્ષેત્રને શાંતિપૂર્વક ઉત્તેજિત કરે છે!

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.

So far, the several forms of current have been introduced. They all exist objectively, and what they have in common is that all currents can equally excite the magnetic field.