Apa itu arus listrik? Ingat dulu, apa definisi arus yang telah kita pelajari?

Sederhananya, gerakan terarah partikel bermuatan dalam konduktor adalah arus listrik.

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.

“Gerakan arah” dalam definisi arus listrik sering disalahpahami. Banyak orang mengira itu mengacu pada gerakan dengan arah tertentu, tentu saja tidak! Bukankah arah pergerakan elektron pada rangkaian AC berubah?

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

Karena elektron adalah partikel mikroskopis, mereka harus berada dalam gerakan termal sepanjang waktu. Gerak termal adalah gerak acak, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Gerakan ini sebenarnya sangat cepat. Misalnya, dalam logam pada suhu kamar, kecepatan gerakan termal elektronik berada di urutan ratusan kilometer per detik!

Jika Anda melihat lebih dekat pada gerakan acak ini, Anda akan menemukan bahwa arah gerakan setiap partikel adalah acak setiap saat. Jika Anda menjumlahkan vektor kecepatan partikel-partikel ini, hasilnya hampir nol.

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.

Memang, gerakan terarah elektron jauh lebih lambat daripada kecepatan gerakan termal. Pergerakan elektron “menggiling” ini disebut drift, atau “drift”. Terkadang, elektron akan berjalan ke arah yang berlawanan karena tumbukan dengan atom. Namun secara umum elektron bergerak dalam satu arah.

Jika medan listrik berubah arah, arah hanyut elektron juga akan berubah.

Oleh karena itu, gerakan searah semacam ini berarti bahwa jumlah kecepatan semua elektron yang berpartisipasi dalam konduksi pada waktu tertentu tidak nol, tetapi umumnya dalam arah tertentu. Arah ini dapat diubah kapan saja, dan itu adalah kasus arus bolak-balik.

Oleh karena itu, arus bukanlah “gerakan terarah” muatan listrik melainkan “gerakan kolektif” muatan listrik.

Besarnya arus dalam penghantar dinyatakan dengan intensitas arus. Intensitas arus didefinisikan sebagai jumlah listrik yang melewati penampang penghantar dalam satu satuan waktu, yaitu:

Kita telah mempelajari beberapa besaran fisika yang mengandung kata “intensitas”, seperti intensitas medan listrik dan intensitas induksi magnet. Mereka umumnya mewakili pembagian per satuan waktu, satuan luas (atau satuan volume, satuan sudut padat). Namun, kata “intensitas” dalam intensitas saat ini tidak mencerminkan pembagian wilayah saat ini.

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

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!

Untuk mendapatkan hubungan ini, pertama-tama kita harus mengklarifikasi konsentrasi pembawa konsep, yaitu jumlah pembawa dalam satuan volume, yang dinyatakan dengan .

Diasumsikan bahwa penampang konduktor adalah, konsentrasi pembawa, kecepatan drift, dan muatan yang dibebankan.

Maka muatan pada penghantar di sisi kiri permukaan adalah, dan muatan ini akan melewati permukaan dalam jangka waktu tertentu, jadi

Ini adalah ekspresi mikroskopis dari intensitas arus.

Current density is the apportionment of current to area, so the magnitude of current density is, but it is defined as a vector, and the direction is the direction of the drift velocity vector of the positively charged carriers, so the drift of electrons in the metal can be obtained from this Speed, as an example below.

Consider a copper wire, assuming that each copper atom contributes an electron as a carrier. There is 1 mol of copper, its volume is, molar mass is, density is, then the carrier concentration of the copper wire is

Where is Avogadro’s constant. The density of copper is found, and the value obtained by substituting is about unit/cubic meter.

Dengan asumsi jari-jari kawat tembaga adalah 0.8 mm, arus yang mengalir adalah 15A, = 1.6 C, dan kecepatan hanyut elektron dihitung sebagai

Dapat dilihat bahwa kecepatan hanyut elektron memang sangat kecil.

For those who study circuits, the above is the complete definition of current.

Namun dalam fisika, definisi arus di atas sebenarnya hanya definisi sempit. Arus yang lebih umum tidak terbatas pada konduktor, selama pergerakan muatan listrik adalah arus. Misalnya, ketika elektron atom hidrogen bergerak mengelilingi nukleus, arus listrik terbentuk di orbitnya.

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

Untuk contoh lain, piringan logam bermuatan, yang berputar di sekitar porosnya, juga membentuk arus loop dengan jari-jari yang berbeda.

Arus semacam ini bukan arus konduksi normal dan tidak dapat menghasilkan panas Joule! Tidak dapat membentuk sirkuit nyata.

Otherwise, would you give me a calculation of how much joule heat is generated per second by the electrons of the hydrogen atom?

Faktanya, arus dalam ruang hampa tidak memenuhi hukum Ohm. Karena, untuk arus listrik yang dibentuk oleh pergerakan partikel bermuatan dalam ruang hampa, pembawanya tidak bertabrakan seperti kisi-kisi di logam, sehingga ruang hampa tidak memiliki hambatan dan tidak memiliki konduktansi.

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!

We often call this kind of special current an “equivalent current”. The equivalent here means that it generates a magnetic field on the same basis as an ordinary conduction current!

Pengingat: Jangan bingung “arus ekivalen” di sini dengan “sirkuit ekivalen” dalam analisis rangkaian

Faktanya, ketika kita pertama kali mempelajari medan magnet, arus listrik dalam hukum Biot-Saffar adalah arus listrik umum yang mengandung arus ekuivalen ini. Tentu saja, arus konduksi dalam persamaan Maxwell juga mengacu pada arus umum.

Those who have studied the photoelectric effect know that when the photoelectron drifts from the cathode to the anode, if the influence of air is ignored, this current is caused by the movement of electric charges in the vacuum, and there is no resistance, so it is not restricted by Ohm’s law.

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

Tidak! Ada juga dua jenis, yaitu arus magnetisasi dan arus perpindahan.

They are also two equivalent currents, which, as the name suggests, are also introduced to explain magnetism. In other words, they have broken away from the basic characteristic of the current “charge movement”!

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

Don’t worry, and listen to me slowly.

Mari kita lihat arus magnetisasi terlebih dahulu.

Ditemukan bahwa magnet disebabkan oleh pergerakan listrik (tidak mempertimbangkan penjelasan magnetisme oleh sifat intrinsik spin untuk saat ini). Untuk menjelaskan magnetisme alam, fisikawan Prancis Ampere mengajukan hipotesis “sirkulasi molekul”.

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”.

Menurut hukum bahwa arus listrik membangkitkan medan magnet, sirkulasi molekuler ini akan menghasilkan besaran fisika yang disebut momen magnet. Ukurannya adalah luas daerah yang dilingkupi oleh sirkulasi molekul dikalikan dengan arus ekivalen dari sirkulasi molekul, dan arahnya dalam hubungan spiral tangan kanan dengan arah sirkulasi, yaitu

Jelas, arah momen magnet tepat di sepanjang arah medan magnet yang dibentuk oleh arus yang bersirkulasi

.

Dalam keadaan normal, susunan peredaran molekul suatu zat kacau balau, sehingga zat tersebut tidak bersifat magnetis, seperti tampak pada sisi kiri gambar di bawah ini. Ketika dikenai medan magnet luar, sirkulasi molekuler ini kira-kira akan tersusun rapi. Seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan gambar di bawah ini, momen magnet mereka diatur dalam satu arah sebanyak mungkin, seperti jarum magnet kecil yang tak terhitung jumlahnya berkumpul bersama untuk membentuk medan magnet total, dan seluruh materi yang terdiri dari mereka menjadi magnet.

Misalkan ada magnet berbentuk silinder, sirkulasi molekul bagian dalam tersusun rapi, dan bagian-bagian dari masing-masing sirkulasi molekul di tepi bagian magnet dihubungkan bersama untuk membentuk sirkulasi besar, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

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”.

Oleh karena itu, arus magnetisasi adalah arus, karena sama dengan arus yang dibentuk oleh pergerakan muatan listrik nyata, yang secara ekuivalen dapat menghasilkan medan magnet!

Mari kita lihat kembali arus perpindahan.

Menurut teorema loop Ampere, integral dari kekuatan medan magnet pada jalur tertutup sama dengan fluks rapat arus pada setiap permukaan melengkung yang dibatasi oleh jalur ini, yaitu, teorema ini disebut teorema Stokes dalam matematika. Ini memberitahu kita bahwa integral dari sebuah vektor sepanjang setiap jalur tertutup harus sama dengan fluks curlnya (di sini) ke setiap permukaan yang dibatasi oleh jalur tertutup.

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

Oleh karena itu, Teorema Loop Ampere harus selalu berlaku!

Namun, fisikawan berbakat Skotlandia Maxwell menemukan bahwa ketika dihadapkan dengan rangkaian arus yang tidak stabil, teorema loop Ampere bertentangan.

The typical unstable current occurs during the charging and discharging of the capacitor. As shown in the figure below, there is an unstable current during the short period of capacitor charging.

Tetapi sirkuit terputus di antara pelat kapasitor, yang akan menyebabkan masalah serius.

Misalkan kita mempertimbangkan jalur tertutup yang melewati kawat, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, lingkaran yang ditandai oleh C, dan permukaan melengkung dengannya sebagai batas dapat dipilih secara sewenang-wenang. Pada gambar, bidang melingkar yang tertutup oleh C itu sendiri dan melintasi kapasitor dipilih. Permukaan melengkung pelat kiri.

Menurut permukaan melingkar, dapat dilihat bahwa menurut permukaan melengkung, tetapi sebagai integral loop dari kekuatan medan magnet, nilainya harus ditentukan!

Bagaimana melakukan?

Maxwell percaya bahwa teorema loop Ampere harus ditetapkan. Sekarang ada masalah, itu pasti karena sebagian dari arus belum ditemukan oleh kita sebelumnya, tetapi itu memang ada!

Jadi, bagaimana cara mengetahui bagian arus ini?

Karena masalahnya ada di antara pelat, mulailah dari antara pelat.

Melalui analisis, Maxwell menemukan bahwa terlepas dari pengisian atau pengosongan, ada kuantitas fisik antara pelat kapasitor setiap saat yang disinkronkan dengan besar dan arah arus. Ini adalah turunan waktu dari fluks vektor perpindahan listrik, yaitu didefinisikan sebagai arus perpindahan.

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.

Kembali ke kontradiksi sebelumnya, kita sekarang tahu bahwa, menurut persyaratan teorema Stokes, ketika menghitung fluks rapat arus untuk permukaan tertutup, rapat arus perpindahan juga harus dipertimbangkan, yaitu loop ampere lengkap. teorema Oleh karena itu, Dengan “menemukan” komponen arus baru ini, krisis Teorema Loop Ampere teratasi!

Alasan mengapa “pengantar” tidak digunakan di sini, tetapi “penemuan” digunakan di sini. Yang ingin saya tekankan adalah bahwa arus semacam ini bukanlah kompensasi matematis, tetapi merupakan hal yang nyata, tetapi belum pernah ditemukan sebelumnya.

Why does it exist in the first place? Because it acts as an electric current, like a conduction current, it excites a magnetic field equivalently, except that there is no movement of electric charges, no wire is required, and no Joule heat can be generated, so it has been ignored!

Tapi itu benar-benar ada dengan sendirinya, tetap low profile, diam-diam telah menarik medan magnet di sana sepanjang waktu!

Dengan kata lain, ketika kita menghadapi medan magnet, definisi asli arus terlalu sempit. Inti dari arus listrik bukanlah pergerakan muatan listrik, melainkan sesuatu yang dapat membangkitkan medan magnet.

Sejauh ini, beberapa bentuk arus telah diperkenalkan. Mereka semua ada secara objektif, dan kesamaan mereka adalah bahwa semua arus dapat membangkitkan medan magnet secara setara.