Ի՞նչ է էլեկտրական հոսանքը: Նախ, հիշեք, ո՞րն է մեր սովորած հոսանքի սահմանումը:

Պարզապես, հաղորդիչում լիցքավորված մասնիկների ուղղորդված շարժումը էլեկտրական հոսանք է:

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.

Էլեկտրական հոսանքի սահմանման «ուղղորդված շարժումը» հաճախ սխալ է ընկալվում: Շատերը կարծում են, որ դա վերաբերում է որոշակի ուղղությամբ շարժմանը, իհարկե ոչ: Արդյո՞ք AC շղթայում էլեկտրոնների շարժման ուղղությունը չի փոխվում:

In fact, orienteering is relative to “random movement”!

Քանի որ էլեկտրոնները մանրադիտակային մասնիկներ են, նրանք պետք է մշտապես ջերմային շարժման մեջ լինեն: Ջերմային շարժումը պատահական շարժում է, ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում:

Այս շարժումը իրականում շատ արագ է: Օրինակ՝ սենյակային ջերմաստիճանում գտնվող մետաղներում էլեկտրոնային ջերմային շարժման արագությունը վայրկյանում հարյուրավոր կիլոմետրերի կարգի է:

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.

Does it look fast? That’s because electronic movement is really fast! But in fact, the random motion, which accounts for a large proportion of it, does not contribute to the current. When the random motion is eliminated, the rest is just like the slow look below.

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.

Եթե ​​էլեկտրական դաշտը փոխի ուղղությունը, կփոխվի նաև էլեկտրոնների շեղման ուղղությունը։

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.

Therefore, current is not so much the “directional movement” of electric charge as it is the “collective movement” of electric charge.

Հաղորդավարում հոսանքի մեծությունն արտահայտվում է հոսանքի ինտենսիվությամբ: Ընթացքի ինտենսիվությունը սահմանվում է որպես հաղորդիչի խաչմերուկով անցնող էլեկտրաէներգիայի քանակությունը միավոր ժամանակում, մասնավորապես.

Մենք սովորել ենք որոշ ֆիզիկական մեծություններ, որոնք պարունակում են «ինտենսիվություն» բառը, ինչպիսիք են էլեկտրական դաշտի ինտենսիվությունը և մագնիսական ինդուկցիայի ինտենսիվությունը: Նրանք սովորաբար ներկայացնում են բաշխումը միավոր ժամանակի, միավորի տարածքի (կամ միավորի ծավալի, միավորի պինդ անկյունի վրա): Այնուամենայնիվ, ներկայիս ինտենսիվության մեջ «ինտենսիվություն» բառը չի արտացոլում տարածքի ներկայիս բաշխվածությունը:

Փաստորեն, մեկ այլ ֆիզիկական մեծություն պատասխանատու է հոսանքի տարածքի բաշխման համար, որը հոսանքի խտությունն է:

Since the essence of electric current is the directional movement of electric charge, there must be a certain relationship between current intensity and drift speed!

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 .

Ենթադրվում է, որ հաղորդիչի խաչմերուկն է, կրիչի կոնցենտրացիան է, շեղման արագությունը՝ և լիցքավորված լիցքը։

Այնուհետև մակերեսի ձախ կողմում գտնվող հաղորդիչի լիցքը հավասար է, և այդ լիցքերը կանցնեն մակերեսով որոշակի ժամանակահատվածում, ուստի

This is a microscopic expression of current intensity.

Ընթացքի խտությունը հոսանքի բաշխումն է տարածքին, հետևաբար հոսանքի խտության մեծությունն այն է, բայց այն սահմանվում է որպես վեկտոր, իսկ ուղղությունը դրական լիցքավորված կրիչների դրեյֆի արագության վեկտորի ուղղությունն է, ուստի էլեկտրոնների շեղումը մետաղը կարելի է ձեռք բերել այս Արագությունից, որպես ստորև բերված օրինակ:

Դիտարկենք պղնձե մետաղալարը՝ ենթադրելով, որ յուրաքանչյուր պղնձի ատոմ ներգրավում է էլեկտրոն՝ որպես կրող: Կա 1 մոլ պղինձ, դրա ծավալը, մոլային զանգվածը, խտությունը, ապա պղնձե մետաղալարի կրիչի կոնցենտրացիան է.

Որտեղ է Ավոգադրոյի հաստատունը: Գտնվում է պղնձի խտությունը, իսկ փոխարինման արդյունքում ստացված արժեքը մոտավորապես միավոր/խորանարդ մետր է։

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

Կարելի է տեսնել, որ էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունն իսկապես շատ փոքր է:

Նրանց համար, ովքեր ուսումնասիրում են սխեմաները, վերը նշվածը հոսանքի ամբողջական սահմանումն է:

But in physics, the above definition of current is actually only a narrow definition. More general currents are not limited to conductors, as long as the movement of electric charges is current. For example, when the electrons of a hydrogen atom move around the nucleus, an electric current is formed in its orbit.

Suppose the amount of electronic charge is and the period of movement is. Then every time that elapses, there is such a large amount of charge passing through any cross section of the loop, so the current intensity is based on the relationship between period, frequency and angular velocity, and the current can also be expressed as

Մեկ այլ օրինակ՝ լիցքավորված մետաղական սկավառակը, պտտվելով իր առանցքի շուրջ, նույնպես տարբեր շառավղներով հանգույցային հոսանքներ է առաջացնում։

Այս տեսակի հոսանքը նորմալ հաղորդման հոսանք չէ և չի կարող Ջուլի ջերմություն առաջացնել: Չի կարող իրական միացում կազմել:

Հակառակ դեպքում, ինձ հաշվարկ կտա՞ք, թե վայրկյանում քանի ջոուլ ջերմություն է առաջանում ջրածնի ատոմի էլեկտրոնների կողմից:

Փաստորեն, հոսանքը վակուումում չի բավարարում Օհմի օրենքին։ Քանի որ վակուումում լիցքավորված մասնիկների շարժման արդյունքում առաջացած էլեկտրական հոսանքի համար կրիչները չեն բախվում մետաղի վանդակի նման, ուստի վակուումը չունի դիմադրություն և հաղորդունակություն:

The movement of electric charges generates electric current, and the electric charge itself excites the electric field. This is easy to cause a misunderstanding. Many people therefore think that the electric field of the charged particles that form the electric current must be exposed. But in fact, for the conduction current in a general conductor, carriers flow on a background composed of a large number of positively charged metal ions, and the conductor itself is neutral!

Մենք հաճախ այս տեսակի հատուկ հոսանքն անվանում ենք «համարժեք հոսանք»: Այստեղ համարժեքը նշանակում է, որ այն առաջացնում է մագնիսական դաշտ նույն հիմքի վրա, ինչ սովորական հաղորդման հոսանքը:

Հիշեցում․ մի շփոթեք այստեղ «համարժեք հոսանքը» շղթայի վերլուծության մեջ «համարժեք սխեմայի» հետ։

Փաստորեն, երբ մենք առաջին անգամ ուսումնասիրեցինք մագնիսական դաշտը, Բիոտ-Սաֆֆարի օրենքում էլեկտրական հոսանքը ընդհանրացված էլեկտրական հոսանքն էր, որը պարունակում էր այս համարժեք հոսանքը: Իհարկե, Մաքսվելի հավասարումների հաղորդման հոսանքը վերաբերում է նաև ընդհանրացված հոսանքին։

Նրանք, ովքեր ուսումնասիրել են ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը, գիտեն, որ երբ ֆոտոէլեկտրոնը կաթոդից շարժվում է դեպի անոդ, եթե օդի ազդեցությունն անտեսվում է, ապա այս հոսանքն առաջանում է վակուումում էլեկտրական լիցքերի շարժման հետևանքով, և դիմադրություն չկա, ուստի սահմանափակված չէ Օհմի օրենքով:

Այսպիսով, սա միակ բանն է ֆիզիկայի էլեկտրական հոսանքի մասին:

No! There are also two types, namely magnetizing current and displacement current.

Դրանք նաև երկու համարժեք հոսանքներ են, որոնք, ինչպես երևում է անունից, ներմուծվում են նաև մագնիսականությունը բացատրելու համար։ Այսինքն՝ նրանք կտրվել են ներկայիս «լիցքավորման շարժման» հիմնական հատկանիշից։

Դա զարմանալի է: Էլեկտրական լիցքի շարժում չկա, ուստի ինչու կարելի է այն անվանել էլեկտրական հոսանք:

Մի անհանգստացեք և կամաց լսեք ինձ:

Եկեք նախ նայենք մագնիսացնող հոսանքին:

Պարզվել է, որ մագնիսականությունը առաջանում է էլեկտրական հոսանքի շարժման հետևանքով (առայժմ չհաշված մագնիսականության բացատրությունը սպինի ներքին հատկություններով)։ Բնական մագնիսականությունը բացատրելու համար ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ամպերը առաջ քաշեց «մոլեկուլային շրջանառության» վարկածը։

Ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, ցանկացած ատոմ կամ մոլեկուլ կարելի է համարել որպես կենտրոնի շուրջը պտտվող էլեկտրական լիցք՝ ձևավորելով մի փոքրիկ հանգույց հոսանք, այսինքն՝ «մոլեկուլային շրջանառություն»:

Համաձայն օրենքի, որ էլեկտրական հոսանքը գրգռում է մագնիսական դաշտը, այս մոլեկուլային շրջանառությունը կստեղծի ֆիզիկական մեծություն, որը կոչվում է մագնիսական մոմենտ: Դրա չափը մոլեկուլային շրջանառությամբ պարփակված տարածքն է՝ բազմապատկված մոլեկուլային շրջանառության համարժեք հոսանքով, իսկ ուղղությունը շրջանառության ուղղության հետ աջակողմյան պարուրաձև հարաբերության մեջ է, մասնավորապես.

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

.

Under normal circumstances, the arrangement of the molecular circulation of a substance is chaotic, so the substance is not magnetic, as shown on the left side of the figure below. When subjected to an external magnetic field, these molecular circulations will be approximately neatly arranged. As shown on the right side of the figure below, their magnetic moments are arranged in one direction as much as possible, just like countless small magnetic needles gathered together to form a total magnetic field, and the whole material composed of them becomes magnetic.

Ենթադրենք, որ կա գլանաձև մագնիս, ներքին մոլեկուլային շրջանառությունը կոկիկ դասավորված է, և մագնիսի հատվածի եզրին գտնվող յուրաքանչյուր մոլեկուլային շրջանառության հատվածները միացված են իրար՝ մեծ շրջանառություն կազմելու համար, ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում:

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”.

Հետևաբար, մագնիսացնող հոսանքը հոսանք է, քանի որ այն նույնն է, ինչ իրական էլեկտրական լիցքերի շարժման արդյունքում ձևավորված հոսանքը, որը կարող է համարժեք մագնիսական դաշտ առաջացնել:

Եկեք նորից նայենք տեղաշարժի հոսանքին:

According to the Ampere’s loop theorem, the integral of the magnetic field strength on a closed path is equal to the flux of the current density on any curved surface bounded by this path, that is, this theorem is called Stokes’ theorem in mathematics. It tells us that the integral of a vector along any closed path must be equal to the flux of its curl (here) to any surface bounded by the closed path.

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

Therefore, the Ampere Loop Theorem must always hold!

Այնուամենայնիվ, տաղանդավոր շոտլանդացի ֆիզիկոս Մաքսվելը հայտնաբերեց, որ անկայուն հոսանքի շղթայի հետ հանդիպելիս Ամպերի հանգույցի թեորեմը հակասական էր:

Տիպիկ անկայուն հոսանքը տեղի է ունենում կոնդենսատորի լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ: Ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, կոնդենսատորի լիցքավորման կարճ ժամանակահատվածում կա անկայուն հոսանք:

But the circuit is disconnected between the capacitor plates, which will cause a serious problem.

Ենթադրենք, մենք համարում ենք փակ ճանապարհ, որը շրջանցում է մետաղալարը, ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, C-ով նշված շրջանակը և դրա հետ կոր մակերեսը կարող են կամայականորեն ընտրվել որպես սահման: Նկարում ընտրված է շրջանաձև հարթությունը, որը պարփակված է ինքնին C-ով և կոնդենսատորի միջով: Ձախ ափսեի կոր մակերեսը:

According to the circular surface, it can be seen that according to the curved surface, but as a loop integral of the magnetic field strength, its value should be determined!

Թե ինչպես պետք է անել?

Մաքսվելը կարծում է, որ Ամպերի օղակի թեորեմը պետք է հաստատվի։ Հիմա, երբ խնդիր կա, դա պետք է լինի, որովհետև հոսանքի մի մասը նախկինում մեր կողմից չի հայտնաբերվել, բայց գոյություն ունի։

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

Քանի որ խնդիրը ափսեների միջև է, սկսեք ափսեների միջև:

Through analysis, Maxwell found that regardless of charging or discharging, there is a physical quantity between the capacitor plates at all times that is synchronized with the magnitude and direction of the current. It is the time derivative of the flux of the electric displacement vector, that is, it is defined as the displacement current.

Եթե ​​համարվում է, որ այս հատվածը հոսանքի այն մասն է, որը նախկինում չի հայտնաբերվել, ապա ամբողջական հոսանքը հիմա է։ Այսինքն, թեև թիթեղների միջև շղթան անջատված է, էլեկտրական տեղաշարժի հոսքի ածանցյալը և հոսանքի գումարը միասին, որպես ամբողջություն, ապահովում են հոսանքի շարունակականությունը բոլոր ժամանակներում:

Վերադառնալով նախորդ հակասությանը, այժմ մենք գիտենք, որ, համաձայն Սթոքսի թեորեմի պահանջների, փակ մակերևույթի համար հոսանքի խտության հոսքը հաշվարկելիս պետք է հաշվի առնել նաև տեղաշարժման հոսանքի խտությունը, այսինքն՝ ամբողջական ամպերի օղակը։ Հետևաբար, թեորեմն այն է, որ «հայտնաբերելով» այս նոր ընթացիկ բաղադրիչը, լուծվում է Ամպերի հանգույցի թեորեմի ճգնաժամը:

Պատճառը, թե ինչու այստեղ չի օգտագործվում «ներածություն», բայց այստեղ օգտագործվում է «բացահայտում»: Այն, ինչ ուզում եմ շեշտել, այն է, որ հոսանքի այս տեսակը ոչ թե մաթեմատիկական փոխհատուցում է, այլ իրական, բայց նախկինում չի հայտնաբերվել։

Ինչու՞ այն գոյություն ունի ի սկզբանե: Քանի որ այն գործում է որպես էլեկտրական հոսանք, ինչպես հաղորդման հոսանքը, այն հավասարապես գրգռում է մագնիսական դաշտը, բացառությամբ, որ էլեկտրական լիցքերի շարժում չկա, մետաղալար չի պահանջվում, և Ջուլի ջերմություն չի կարող առաջանալ, ուստի այն անտեսվել է:

But it actually exists by itself, just keep a low profile, it has been silently exciting the magnetic field there all the time!

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.

Մինչ այժմ ներդրվել են հոսանքի մի քանի ձևեր։ Նրանք բոլորն էլ օբյեկտիվորեն գոյություն ունեն, և նրանց ընդհանուրն այն է, որ բոլոր հոսանքները կարող են հավասարապես գրգռել մագնիսական դաշտը: