Kolika je električna struja? Prvo se podsjetimo, koja je definicija struje koju smo naučili?

Jednostavno, usmjereno kretanje nabijenih čestica u vodiču je električna struja.

Tek kada tvar ima nabijene čestice koje se mogu slobodno kretati, može prenositi električnu struju, odnosno provoditi električnu energiju. Te nabijene čestice koje sudjeluju u vođenju nazivaju se nosači. Za metale, na primjer, samo vanjski elektroni atoma mogu djelovati kao nosači.

“Smjerno kretanje” u definiciji električne struje često se pogrešno shvaća. Mnogi ljudi misle da se to odnosi na kretanje u određenom smjeru, naravno ne! Ne mijenja li se smjer kretanja elektrona u strujnom krugu izmjenične struje?

U stvari, orijentacija je relativna u odnosu na “nasumično kretanje”!

Budući da su elektroni mikroskopske čestice, moraju cijelo vrijeme biti u toplinskom gibanju. Toplinsko gibanje je nasumično gibanje, kao što je prikazano na donjoj slici.

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!

Ako pomno pogledate ovo nasumično kretanje, vidjet ćete da je smjer kretanja svake čestice u svakom trenutku nasumičan. Ako zbrojite vektore brzina ovih čestica, rezultat je gotovo nula.

Sada dodajte električno polje vodiču, a elektron će nadzirati usmjereno kretanje na temelju slučajnog kretanja. Pod pretpostavkom da je električno polje određeno vrijeme lijevo, kretanje elektrona izgleda ovako. Crvene kuglice predstavljaju atome metala na kristalnoj rešetki, a točkice koje se brzo kreću predstavljaju slobodne elektrone.

Izgleda li brzo? To je zato što je elektroničko kretanje stvarno brzo! Ali zapravo, nasumično kretanje, koje čini veliki dio toga, ne pridonosi struji. Kada se eliminira nasumično kretanje, ostalo je baš kao spori izgled ispod.

Doista, usmjereno kretanje elektrona je mnogo sporije od brzine toplinskog kretanja. Ovo “brusno” kretanje elektrona naziva se drift, ili “drift”. Ponekad će elektroni trčati u suprotnom smjeru zbog sudara s atomima. Ali općenito, elektroni se kreću u jednom smjeru.

Ako električno polje promijeni smjer, promijenit će se i smjer drifta elektrona.

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.

Stoga struja nije toliko “smjerno kretanje” električnog naboja koliko je “kolektivno kretanje” električnog naboja.

The magnitude of the current in the conductor is expressed by the current intensity. The current intensity is defined as the amount of electricity passing through the cross-section of the conductor in a unit time, namely

Naučili smo neke fizičke veličine koje sadrže riječ “intenzitet”, kao što su intenzitet električnog polja i intenzitet magnetske indukcije. Oni općenito predstavljaju raspodjelu po jedinici vremena, jedinici površine (ili jedinici volumena, jediničnom punom kutu). Međutim, riječ “intenzitet” u trenutnom intenzitetu ne odražava trenutnu raspodjelu područja.

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

Budući da je bit električne struje usmjereno kretanje električnog naboja, mora postojati određeni odnos između jačine struje i brzine drifta!

Da bismo dobili ovaj odnos, prvo moramo razjasniti koncentraciju nositelja pojma, odnosno broj nositelja u jedinici volumena, koji se izražava s .

Pretpostavlja se da je presjek vodiča, koncentracija nositelja, brzina drifta i nabijeni naboj.

Tada je naboj u vodiču na lijevoj strani površine, a ti će naboji proći kroz površinu unutar određenog vremenskog razdoblja, pa

Ovo je mikroskopski izraz intenziteta struje.

Gustoća struje je raspodjela struje na površinu, tako da je veličina gustoće struje, ali je definirana kao vektor, a smjer je smjer vektora brzine pomaka pozitivno nabijenih nositelja, tako da drift elektrona u metal se može dobiti iz ove Brzine, kao primjer u nastavku.

Razmotrimo bakrenu žicu, uz pretpostavku da svaki atom bakra daje elektron kao nosač. Postoji 1 mol bakra, njegov volumen je, molarna masa je, gustoća je, tada je koncentracija nosača bakrene žice

Gdje je Avogadrova konstanta. Pronađena je gustoća bakra, a vrijednost dobivena zamjenom je otprilike jedinica/kubični metar.

Assuming that the radius of the copper wire is 0.8mm, the current flowing is 15A, =1.6 C, and the drift velocity of electrons is calculated as

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

Za one koji proučavaju strujne krugove, gore je potpuna definicija struje.

Ali u fizici je gornja definicija struje zapravo samo uska definicija. Općenitije struje nisu ograničene na vodiče, sve dok je kretanje električnih naboja struja. Na primjer, kada se elektroni atoma vodika kreću oko jezgre, u njegovoj orbiti nastaje električna struja.

Pretpostavimo da je iznos elektroničkog naboja, a razdoblje kretanja jest. Tada svaki put kada to protekne, postoji tako velika količina naboja koja prolazi kroz bilo koji poprečni presjek petlje, tako da se intenzitet struje temelji na odnosu između perioda, frekvencije i kutne brzine, a struja se također može izraziti kao

Za drugi primjer, nabijeni metalni disk, koji se okreće oko svoje osi, također tvori struje petlje s različitim polumjerima.

Ova vrsta struje nije normalna struja vodljivosti i ne može generirati Jouleovu toplinu! Ne može formirati pravi krug.

Inače, hoćete li mi dati izračun koliko džula topline u sekundi generiraju elektroni atoma vodika?

Zapravo, struja u vakuumu ne zadovoljava Ohmov zakon. Jer, za električnu struju koja nastaje kretanjem nabijenih čestica u vakuumu, nosači se ne sudaraju slično rešetki u metalu, pa vakuum nema otpor i vodljivost.

Kretanje električnih naboja stvara električnu struju, a sam električni naboj pobuđuje električno polje. Ovo je lako izazvati nesporazum. Mnogi ljudi stoga misle da električno polje nabijenih čestica koje tvore električnu struju mora biti izloženo. Ali zapravo, za struju vodljivosti u općem vodiču, nosioci teku na pozadini sastavljenoj od velikog broja pozitivno nabijenih metalnih iona, a sam vodič je neutralan!

Ovu vrstu posebne struje često nazivamo “ekvivalentnom strujom”. Ekvivalent ovdje znači da stvara magnetsko polje na istoj osnovi kao i obična struja vodljivosti!

Podsjetnik: nemojte brkati “ekvivalentnu struju” ovdje s “ekvivalentnim krugom” u analizi kruga

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.

Oni koji su proučavali fotoelektrični efekt znaju da kada fotoelektron ponese s katode na anodu, ako se zanemari utjecaj zraka, ova struja je uzrokovana kretanjem električnih naboja u vakuumu, te nema otpora, pa je nije ograničeno Ohmovim zakonom.

Dakle, je li to jedina stvar o električnoj struji u fizici?

Ne! Također postoje dvije vrste, a to su struja magnetiziranja i struja pomaka.

Oni su također dvije ekvivalentne struje, koje su, kao što ime govori, također uvedene da objasne magnetizam. Drugim riječima, odvojili su se od osnovne karakteristike sadašnjeg “pokreta naboja”!

To je nevjerojatno! Ne postoji kretanje električnog naboja, pa zašto se onda može nazvati električnom strujom?

Ne brini i slušaj me polako.

Pogledajmo prvo struju magnetiziranja.

Utvrđeno je da je magnetizam uzrokovan kretanjem elektriciteta (ne uzimajući u obzir objašnjenje magnetizma intrinzičnim svojstvima spina za sada). Kako bi objasnio prirodni magnetizam, francuski fizičar Ampere iznio je hipotezu o “molekularnoj cirkulaciji”.

Kao što je prikazano na donjoj slici, može se smatrati da svaki atom ili molekula ima električni naboj koji rotira oko središta, tvoreći sićušnu struju petlje, odnosno “molekularnu cirkulaciju”.

Prema zakonu da električna struja pobuđuje magnetsko polje, ova molekularna cirkulacija će proizvesti fizikalnu veličinu koja se naziva magnetski moment. Njegova veličina je površina koju zatvara molekularna cirkulacija pomnožena s ekvivalentnom strujom molekularne cirkulacije, a njegov je smjer u desnoj spiralnoj vezi sa smjerom cirkulacije, tj.

Očito, smjer magnetskog momenta je točno duž smjera magnetskog polja formiranog od strane cirkulirajuće struje

.

U normalnim okolnostima, raspored molekularne cirkulacije tvari je kaotičan, pa tvar nije magnetska, kao što je prikazano na lijevoj strani donje slike. Kada se podvrgnu vanjskom magnetskom polju, te će molekularne cirkulacije biti približno uredno raspoređene. Kao što je prikazano na desnoj strani donje slike, njihovi magnetski momenti su raspoređeni u jednom smjeru što je više moguće, baš kao bezbroj malih magnetskih iglica skupljenih zajedno da tvore ukupno magnetsko polje, a cijeli materijal sastavljen od njih postaje magnetski.

Pretpostavimo da postoji cilindrični magnet, unutarnja molekularna cirkulacija je uredno raspoređena, a dijelovi svake molekularne cirkulacije na rubu magnetskog dijela su spojeni zajedno da tvore veliku cirkulaciju, kao što je prikazano na donjoj slici.

Na temelju toga možemo misliti da je šipkasti magnet kao solenoid pod naponom. Drugim riječima, na površini magneta je zapetljana nevidljiva struja! Ova vrsta struje se ne može spojiti i koristiti. Ograničen je na površinu magneta. Nazivamo je “vezna struja” ili “struja magnetizacije”.

Prema tome, struja magnetiziranja je struja, jer je ista kao i struja nastala gibanjem stvarnih električnih naboja, koji jednako mogu generirati magnetsko polje!

Pogledajmo opet struju pomaka.

Prema teoremu Ampereove petlje, integral jakosti magnetskog polja na zatvorenom putu jednak je toku gustoće struje na bilo kojoj zakrivljenoj površini ograničenoj tom putanjom, odnosno taj se teorem u matematici naziva Stokesov teorem. To nam govori da integral vektora duž bilo koje zatvorene staze mora biti jednak protoku njegovog zavoja (ovdje) na bilo koju površinu omeđenu zatvorenim putem.

Since it is a mathematical theorem, it must always be correct, because mathematics is a logical system based on axioms.

Stoga teorem Amperove petlje uvijek mora vrijediti!

Međutim, talentirani škotski fizičar Maxwell otkrio je da je, kada se suoči s nestabilnim strujnim krugom, teorem Ampereove petlje kontradiktoran.

Tipična nestabilna struja nastaje tijekom punjenja i pražnjenja kondenzatora. Kao što je prikazano na donjoj slici, tijekom kratkog razdoblja punjenja kondenzatora postoji nestabilna struja.

Ali krug je isključen između ploča kondenzatora, što će uzrokovati ozbiljan problem.

Pretpostavimo da razmatramo zatvoreni put koji zaobilazi žicu, kao što je prikazano na donjoj slici, kružnicu označenu sa C, i zakrivljenu površinu s njom kao granicom može se proizvoljno odabrati. Na slici je odabrana kružna ravnina koju zatvara C i preko kondenzatora. Zakrivljena površina lijeve ploče.

Prema kružnoj plohi vidi se da prema zakrivljenoj površini, ali kao petlji integral jakosti magnetskog polja, treba odrediti njegovu vrijednost!

Kako to učiniti?

Maxwell vjeruje da se mora uspostaviti teorem Ampereove petlje. Sada kada postoji problem, to mora biti zato što dio struje nismo ranije otkrili, ali postoji!

Dakle, kako saznati ovaj dio struje?

Budući da je problem između ploča, počnite između ploča.

Kroz analizu, Maxwell je otkrio da bez obzira na punjenje ili pražnjenje, između ploča kondenzatora u svakom trenutku postoji fizička veličina koja je sinkronizirana s veličinom i smjerom struje. To je vremenski derivat toka vektora električnog pomaka, odnosno definiran je kao struja pomaka.

Ako se smatra da je ovaj dio struje koji prije nije otkriven, onda je potpuna struja sada. To jest, iako je strujni krug između ploča isključen, derivacija toka električnog pomaka i zbroj struje zajedno, kao cjelina, osiguravaju kontinuitet struje u svakom trenutku.

Vraćajući se na prethodnu kontradikciju, sada znamo da, prema zahtjevima Stokesovog teorema, pri izračunu toka gustoće struje za zatvorenu površinu treba uzeti u obzir i gustoću struje pomaka, odnosno potpunu ampersku petlju teorem je, dakle, “Otkrićem” ove nove komponente struje riješena je kriza teorema Amperove petlje!

Razlog zašto se ovdje ne koristi “uvod”, već se ovdje koristi “otkriće”. Ono što želim naglasiti je da ovakva struja nije matematička kompenzacija, već stvarna stvar, ali do sada nije otkrivena.

Zašto uopće postoji? Budući da djeluje kao električna struja, poput struje vodljivosti, jednako pobuđuje magnetsko polje, osim što nema kretanja električnih naboja, nije potrebna žica i ne može se proizvesti Jouleova toplina, pa je to zanemareno!

Ali ono zapravo postoji samo po sebi, samo se pritajite, ondje je cijelo vrijeme tiho uzbuđivalo magnetsko polje!

Drugim riječima, kada se suočimo s magnetskim poljem, izvorna definicija struje je preuska. Bit električne struje nije kretanje električnog naboja, ona bi trebala biti nešto što može potaknuti magnetsko polje.

Do sada je uvedeno nekoliko oblika struje. Svi oni postoje objektivno, a zajedničko im je da sve struje mogu podjednako pobuđivati ​​magnetsko polje.