Ki sa ki kouran elektrik la? Premye sonje, ki definisyon kouran nou te aprann?

Byen tou senpleman, mouvman an direksyon nan patikil chaje nan yon kondiktè se yon kouran elektrik.

Se sèlman lè yon sibstans chaje patikil ki ka deplase lib, li ka transmèt kouran elektrik-sa vle di, kondwi elektrisite. Patikil sa yo chaje ki patisipe nan kondiksyon yo rele transpòtè. Pou metal, pou egzanp, sèlman elektwon yo ekstèn nan atòm ka aji kòm transpòtè.

“Mouvman nan direksyon” nan definisyon an nan kouran elektrik souvan konpwann. Anpil moun panse ke li refere a mouvman ak yon direksyon sèten, nan kou pa! Èske direksyon mouvman elektwon yo nan sikwi AC a pa chanje?

An reyalite, oryante se relatif nan “mouvman o aza”!

Depi elektwon yo se patikil mikwoskopik, yo dwe nan mouvman tèmik tout tan tout tan an. Mouvman tèmik se yon mouvman o aza, jan yo montre nan figi ki anba a.

Mouvman sa a aktyèlman trè vit. Pou egzanp, nan metal nan tanperati chanm, vitès la nan mouvman elektwonik tèmik se sou lòd la nan dè santèn de kilomèt pou chak segonn!

Si w gade ak anpil atansyon nan mouvman o aza sa a, w ap jwenn ke direksyon mouvman chak patikil se o aza nan nenpòt moman. Si ou ajoute vektè vitès patikil sa yo, rezilta a se prèske zewo.

Koulye a, ajoute yon jaden elektrik nan kondiktè a, ak elèktron an sipèpoze yon mouvman direksyon sou baz mouvman o aza. Sipoze ke jaden elektrik la sou bò gòch la pou yon sèten peryòd tan, mouvman elektwon yo sanble ak sa ki annapre yo. Boul wouj yo reprezante atòm metal sou lasi kristal la, epi pwen k ap deplase rapid yo reprezante elektwon gratis.

Èske li gade vit? Se paske mouvman elektwonik vrèman rapid! Men, an reyalite, mouvman an o aza, ki kont pou yon gwo pwopòsyon nan li, pa kontribye nan aktyèl la. Lè mouvman an o aza elimine, rès la se jis tankou gade nan dousman anba a.

Vreman vre, mouvman an direksyon nan elektwon se pi dousman pase vitès la nan mouvman tèmik. Mouvman “broyage” sa a nan elektwon yo rele drift, oswa “drift”. Pafwa, elektwon yo ap kouri nan direksyon opoze akòz kolizyon ak atòm. Men, an jeneral, elektwon deplase nan yon direksyon.

Si jaden elektrik la chanje direksyon, direksyon flote elèktron ap chanje tou.

Se poutèt sa, sa a kalite mouvman direksyon vle di ke sòm total vitès yo nan tout elektwon ki patisipe nan kondiksyon an nan yon sèten tan se pa zewo, men se jeneralman nan yon sèten direksyon. Direksyon sa a ka chanje nenpòt ki lè, e sa se ka aktyèl altène.

Se poutèt sa, aktyèl se pa tèlman “mouvman an direksyon” nan chaj elektrik kòm li se “mouvman an kolektif” nan chaj elektrik.

Grandè aktyèl la nan kondiktè a eksprime pa entansite aktyèl la. Entansite aktyèl la defini kòm kantite elektrisite ki pase nan koup transvèsal kondiktè a nan yon tan inite, sètadi.

Nou te aprann kèk kantite fizik ki genyen mo “entansite”, tankou entansite jaden elektrik ak entansite endiksyon mayetik. Yo jeneralman reprezante aporasyon pou chak inite tan, inite zòn (oswa volim inite, ang solid inite). Sepandan, mo “entansite” nan entansite aktyèl la pa reflete pwopòsyon aktyèl la nan zòn nan.

An reyalite, yon lòt kantite fizik responsab pou distribisyon aktyèl la nan zòn nan, ki se dansite aktyèl la.

Depi sans kouran elektrik se mouvman direksyon chaj elektrik, dwe gen yon sèten relasyon ant entansite aktyèl la ak vitès drift!

Pou jwenn relasyon sa a, nou dwe premye klarifye yon konsantrasyon konsèp-pòtè, se sa ki, kantite transpòtè nan yon volim inite, ki eksprime pa .

Li sipoze ke seksyon transvèsal kondiktè a se, konsantrasyon konpayi asirans lan se, vitès drift la se, ak chaj la chaje se.

Lè sa a, chaj la nan kondiktè a sou bò gòch nan sifas la se, ak chaj sa yo pral pase nan sifas la nan yon sèten peryòd tan, kidonk

Sa a se yon ekspresyon mikwoskopik entansite aktyèl la.

Dansite aktyèl la se aporasyon aktyèl la nan zòn, kidonk grandè dansite aktyèl la se, men li defini kòm yon vektè, ak direksyon an se direksyon vektè vitès drift nan transpòtè yo chaje pozitivman, kidonk flote elektwon nan la. metal ka jwenn nan vitès sa a, kòm yon egzanp anba a.

Konsidere yon fil kwiv, an sipoze ke chak atòm kwiv kontribye yon elèktron kòm yon transpòtè. Gen 1 mol kòb kwiv mete, volim li se, mas molè se, dansite se, Lè sa a, konsantrasyon konpayi asirans fil kwiv la se

Ki kote konstan Avogadro a. Yo jwenn dansite kòb kwiv mete, ak valè a jwenn nan ranplase se sou inite / mèt kib.

Sipoze ke reyon an nan fil kwiv la se 0.8mm, aktyèl la ap koule tankou dlo se 15A, = 1.6 C, ak vitès la drift nan elektwon yo kalkile kòm

Li ka wè ke vitès la drift nan elektwon se tout bon piti anpil.

Pou moun ki etidye sikui yo, pi wo a se definisyon konplè aktyèl la.

Men, nan fizik, definisyon ki anwo a nan aktyèl la se aktyèlman sèlman yon definisyon etwat. Plis kouran jeneral yo pa limite a kondiktè, osi lontan ke mouvman an nan chaj elektrik se aktyèl. Pa egzanp, lè elektwon yon atòm idwojèn deplase nan nwayo a, yon kouran elektrik fòme nan òbit li.

Sipoze kantite chaj elektwonik se ak peryòd mouvman an. Lè sa a, chak fwa sa a pase, gen yon gwo kantite chaj ki pase nan nenpòt koup transvèsal nan bouk la, kidonk entansite aktyèl la baze sou relasyon ki genyen ant peryòd, frekans ak vitès angilè, ak aktyèl la ka eksprime tou kòm

Pou yon lòt egzanp, yon disk metal chaje, wotasyon alantou aks li yo, tou fòme kouran bouk ak reyon diferan.

Kalite aktyèl sa a se pa yon aktyèl kondiksyon nòmal epi li pa ka jenere chalè Joule! Pa ka fòme yon kous reyèl.

Sinon, èske w ta ban m yon kalkil sou konbyen chalè joule yo pwodwi pa segonn pa elektwon atòm idwojèn nan?

An reyalite, aktyèl la nan vakyòm pa satisfè lwa Ohm la. Paske, pou kouran elektrik ki te fòme pa mouvman patikil chaje nan vakyòm lan, transpòtè yo pa fè kolizyon menm jan ak lasi a nan metal la, kidonk vakyòm lan pa gen okenn rezistans e pa gen okenn konduktivite.

Mouvman chaj elektrik yo jenere kouran elektrik, ak chaj elektrik la li menm eksite jaden elektrik la. Sa a se fasil lakòz yon enkonpreyansyon. Se poutèt sa, anpil moun panse ke jaden elektrik patikil yo chaje ki fòme kouran elektrik la dwe ekspoze. Men, an reyalite, pou aktyèl la kondiksyon nan yon kondiktè jeneral, transpòtè koule sou yon background ki konpoze de yon gwo kantite iyon metal pozitivman chaje, ak kondiktè nan tèt li se net!

Nou souvan rele sa a jan de kouran espesyal yon “ekivalan kouran”. Ekivalan isit la vle di ke li jenere yon jaden mayetik sou menm baz ak yon kouran kondiksyon òdinè!

Rapèl: Pa konfonn “kouran ekivalan” isit la ak “kous ekivalan” nan analiz sikwi.

An reyalite, lè nou te premye etidye chan mayetik la, kouran elektrik nan lwa Biot-Saffar a se te kouran elektrik jeneralize ki te genyen kouran ekivalan sa a. Natirèlman, aktyèl kondiksyon nan ekwasyon Maxwell yo tou refere a kouran jeneralize a.

Moun ki te etidye efè foto-elektrik la konnen ke lè foto-elektron an derive soti nan katod a nan anod la, si enfliyans lè a inyore, se aktyèl sa a ki te koze pa mouvman chaj elektrik nan vakyòm lan, epi pa gen okenn rezistans, kidonk li. lalwa Ohm pa limite.

Se konsa, èske sa a sèlman bagay sou kouran elektrik nan fizik?

Non! Genyen tou de kalite, sètadi magnetizing aktyèl ak deplasman aktyèl.

Yo se tou de kouran ekivalan, ki, jan non an sijere, yo tou prezante yo eksplike mayetis. Nan lòt mo, yo te kase lwen karakteristik debaz la nan “mouvman chaj” aktyèl la!

Sa etonan! Pa gen okenn mouvman chaj elektrik, kidonk poukisa yo ka rele li yon kouran elektrik?

Pa enkyete w, epi koute m tou dousman.

Ann gade nan kouran magnetizing an premye.

Li te jwenn ke mayetis ki te koze pa mouvman an nan elektrisite (pa konsidere eksplikasyon an nan mayetis pa pwopriyete yo intrinsèques nan vire pou tan ke yo te). Nan lòd yo eksplike mayetis natirèl, fizisyen franse Ampere te mete pi devan ipotèz “sikilasyon molekilè”.

Jan yo montre nan figi ki anba a, nenpòt atòm oswa molekil ka konsidere kòm yon chaj elektrik k ap vire toutotou sant la, ki fòme yon ti kouran bouk, se sa ki, “sikilasyon molekilè”.

Dapre lalwa ki fè konnen kouran elektrik la eksite chan mayetik la, sikilasyon molekilè sa a pral pwodui yon kantite fizik ki rele moman mayetik. Gwosè li se zòn ki fèmen nan sikilasyon an molekilè miltipliye pa aktyèl la ekivalan nan sikilasyon an molekilè, ak direksyon li se nan yon relasyon espiral adwat ak direksyon an nan sikilasyon an, sètadi.

Li evidan, direksyon moman mayetik la se egzakteman nan direksyon chan mayetik ki fòme pa aktyèl la sikile.

.

Nan sikonstans nòmal, aranjman sikilasyon molekilè yon sibstans se chaotic, kidonk sibstans la pa mayetik, jan yo montre sou bò gòch figi ki anba a. Lè yo sibi yon jaden mayetik ekstèn, sikilasyon molekilè sa yo pral apeprè byen ranje. Jan yo montre sou bò dwat figi ki anba a, moman mayetik yo ranje nan yon direksyon otank posib, menm jan ak inonbrabl ti zegwi mayetik rasanble ansanm pou fòme yon chan mayetik total, ak tout materyèl ki konpoze de yo vin mayetik.

Sipoze gen yon leman silendrik, sikilasyon molekilè enteryè a byen ranje, epi seksyon chak sikilasyon molekilè nan kwen seksyon leman an konekte ansanm pou fòme yon gwo sikilasyon, jan yo montre nan figi ki anba a.

Ki baze sou sa a, nou ka panse ke yon leman ba se tankou yon solenoid kouran. Nan lòt mo, gen yon kouran envizib konplitché sou sifas leman an! Kalite aktyèl sa a pa ka konekte ak itilize. Li se limite nan sifas la nan leman an. Nou rele li “kouran obligatwa” oswa “kouran mayetik”.

Se poutèt sa, aktyèl la magnetizing se yon aktyèl, paske li se menm ak aktyèl la ki te fòme pa mouvman an nan chaj elektrik reyèl, ki ka ekivalan jenere yon jaden mayetik!

Ann gade nan deplasman aktyèl la ankò.

Dapre teyorèm bouk Ampere a, entegral fòs chan mayetik sou yon chemen fèmen egal a flux dansite aktyèl la sou nenpòt sifas koube ki limite pa chemen sa a, se sa ki teyorèm sa a rele teyorèm Stokes nan matematik. Li di nou ke entegral yon vektè sou nenpòt chemen fèmen dwe egal a flux boukl li (isit la) nan nenpòt sifas ki limite pa chemen fèmen an.

Piske li se yon teyorèm matematik, li dwe toujou kòrèk, paske matematik se yon sistèm lojik ki baze sou aksyòm.

Se poutèt sa, teyorèm bouk Ampere a dwe toujou kenbe!

Sepandan, talan fizisyen Scottish Maxwell te dekouvri ke lè yo te fè fas ak yon sikwi aktyèl enstab, teyorèm nan bouk Ampere te kontradiktwa.

Kouran an tipik enstab rive pandan chaje a ak egzeyat nan kondansateur la. Jan yo montre nan figi ki anba a, gen yon aktyèl enstab pandan peryòd la kout nan chaje kondansateur.

Men, kous la dekonekte ant plak kondansateur yo, ki pral lakòz yon pwoblèm grav.

Sipoze nou konsidere yon chemen fèmen ki kontourne fil la, jan yo montre nan figi ki anba a, sèk la make pa C, epi sifas koube a ak li kòm fwontyè yo ka chwazi abitrèman. Nan figi a, yo chwazi avyon sikilè ki fèmen pa C tèt li ak atravè kondansateur la. Sifas la koube nan plak gòch la.

Dapre sifas la sikilè, li ka wè ke dapre sifas la koube, men kòm yon bouk entegral nan fòs la jaden mayetik, yo ta dwe detèmine valè li yo!

Ki jan yo fè?

Maxwell kwè ke teyorèm bouk Ampere a dwe etabli. Kounye a ke gen yon pwoblèm, li dwe paske yon pati nan aktyèl la pa te dekouvri pa nou anvan, men li egziste!

Se konsa, ki jan yo chèche konnen pati sa a nan aktyèl la?

Depi pwoblèm nan se ant plak yo, kòmanse soti nan ant plak yo.

Atravè analiz, Maxwell te jwenn ke kèlkeswa chaje oswa dechaje, gen yon kantite fizik ant plak yo kondansateur nan tout tan ki senkronize ak grandè ak direksyon aktyèl la. Li se derive tan an nan flux nan vektè a deplasman elektrik, se sa ki, li se defini kòm aktyèl la deplasman.

Si li konsidere ke pati sa a se pati nan aktyèl la ki pa te dekouvri anvan, Lè sa a, aktyèl la konplè se kounye a. Sa vle di, byenke kous la ant plak yo dekonekte, dérivés de flux deplasman elektrik la ak sòm total aktyèl la ansanm, kòm yon antye, Asire kontinwite aktyèl la nan tout tan.

Retounen nan kontradiksyon anvan an, kounye a nou konnen ke, selon kondisyon ki nan teyorèm Stokes ‘, lè w ap kalkile flux dansite aktyèl la pou yon sifas ki fèmen, yo ta dwe konsidere tou dansite aktyèl deplasman, se sa ki, bouk anpè konplè. teyorèm se poutèt sa, Lè “dekouvri” nouvo eleman aktyèl sa a, kriz la nan Ampere Loop teyorèm la rezoud!

Rezon ki fè “entwodiksyon” yo pa itilize isit la, men “dekouvèt” yo itilize isit la. Ki sa mwen vle mete aksan sou se ke sa a kalite aktyèl se pa yon konpansasyon matematik, men yon bagay reyèl, men li pa te dekouvri anvan.

Poukisa li egziste an premye? Paske li aji kòm yon kouran elektrik, tankou yon kouran kondiksyon, li eksite yon jaden mayetik ekivalan, eksepte ke pa gen okenn mouvman nan chaj elektrik, pa gen okenn fil obligatwa, epi pa gen okenn chalè Joule ka pwodwi, kidonk li te inyore!

Men, li aktyèlman egziste pou kont li, jis kenbe yon pwofil ki ba, li te an silans eksitan jaden an mayetik la tout tan tout tan an!

Nan lòt mo, lè nou fè fas a yon jaden mayetik, definisyon orijinal la nan aktyèl la twò etwat. Sans nan kouran elektrik se pa mouvman an nan chaj elektrik, li ta dwe yon bagay ki ka eksite yon jaden mayetik.

Jiskaprezan, plizyè fòm aktyèl yo te prezante. Yo tout egziste objektivman, ak sa yo genyen an komen se ke tout kouran kapab egalman eksite jaden mayetik la.