электр тогу деген эмне? Биринчиден, биз үйрөнгөн агымдын аныктамасы кандай?

Жөнөкөй түрдө, өткөргүчтөгү заряддуу бөлүкчөлөрдүн багыттуу кыймылы – бул электр тогу.

Зат эркин кыймылдай турган заряддуу бөлүкчөлөргө ээ болгондо гана, ал электр тогун өткөрө алат, башкача айтканда, электр тогун өткөрөт. Жүргүзүүгө катышкан бул заряддуу бөлүкчөлөр алып жүрүүчүлөр деп аталат. Металлдар үчүн, мисалы, атомдордун сырткы электрондору гана алып жүрүүчү ролду аткара алат.

The “directional movement” in the definition of electric current is often misunderstood. Many people think it refers to movement with a certain direction, of course not! Doesn’t the direction of movement of the electrons in the AC circuit change?

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

Since electrons are microscopic particles, they must be in thermal motion all the time. Thermal motion is a random motion, as shown in the figure below.

Бул кыймыл чынында абдан тез. Мисалы, металлдарда бөлмө температурасында электрондук жылуулук кыймылынын ылдамдыгы секундасына жүздөгөн километрге барабар!

Бул туш келди кыймылды жакшылап карасаңыз, ар бир бөлүкчөнүн кыймыл багыты каалаган учурда туш келди экенин көрөсүз. Эгер бул бөлүкчөлөрдүн ылдамдык векторлорун кошсоңуз, натыйжа дээрлик нөлгө барабар болот.

Эми өткөргүчкө электр талаасын кошуп, электрон туш келди кыймылдын негизинде багыттуу кыймылды үстөм кылат. Электр талаасы белгилүү бир убакытка чейин сол жакта деп ойлосок, электрондордун кыймылы төмөнкүдөй болот. Кызыл шарлар кристалл торчодогу металл атомдорун, ал эми тез кыймылдаган чекиттер эркин электрондорду билдирет.

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.

Чынында эле, электрондордун багыттуу кыймылы жылуулук кыймылынын ылдамдыгына караганда бир топ жайыраак. Электрондордун мындай “майдалоо” кыймылы дрейф же “дрейф” деп аталат. Кээде электрондор атомдор менен кагылышуудан улам карама-каршы багытта иштейт. Бирок жалпысынан электрондор бир багытта кыймылдайт.

Эгерде электр талаасы багытын өзгөртсө, электрондордун дрейфинин багыты да өзгөрөт.

Демек, мындай багыттагы кыймыл белгилүү бир убакытта өткөрүмдүүлүккө катышкан бардык электрондордун ылдамдыктарынын суммасы нөл эмес, жалпысынан белгилүү бир багытта экендигин билдирет. Бул багытты каалаган убакта өзгөртүүгө болот, бул өзгөрмө токтун иши.

Демек, ток электр зарядынын «багыттуу кыймылы» эмес, электр зарядынын «жамааттык кыймылы» болуп саналат.

Өткөргүчтөгү токтун чоңдугу токтун интенсивдүүлүгү менен туюнтулат. Токтун интенсивдүүлүгү убакыт бирдигинде өткөргүчтүн кесилишинен өткөн электр энергиясынын көлөмү катары аныкталат, атап айтканда

Биз электр талаасынын интенсивдүүлүгү жана магниттик индукциянын интенсивдүүлүгү сыяктуу “интенсивдүүлүк” деген сөздү камтыган кээ бир физикалык чоңдуктарды үйрөндүк. Алар жалпысынан убакыт бирдигине, аянт бирдигине (же көлөм бирдигине, катуу бурч бирдигине) бөлүштүрүүнү билдирет. Бирок, учурдагы интенсивдүүлүктөгү “интенсивдүүлүк” деген сөз аймактын учурдагы бөлүштүрүлүшүн чагылдырбайт.

Чынында, башка физикалык чоңдук токтун аймакка бөлүштүрүлүшү үчүн жооптуу, бул токтун тыгыздыгы.

Электр тогунун маңызы электр зарядынын багыттуу кыймылы болгондуктан, токтун интенсивдүүлүгү менен дрейф ылдамдыгынын ортосунда белгилүү бир байланыш болушу керек!

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 .

It is assumed that the conductor cross section is, the carrier concentration is, the drift velocity is, and the charged charge is.

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

This is a microscopic expression of current intensity.

Токтун тыгыздыгы – бул токтун аймакка бөлүштүрүлүшү, ошондуктан токтун тыгыздыгынын чоңдугу, бирок ал вектор катары аныкталат, ал эми багыт оң заряддуу алып жүрүүчүлөрдүн дрейф ылдамдыгы векторунун багыты, ошондуктан электрондордун дрейфи металлды төмөндөгү мисал катары бул ылдамдыктан алса болот.

Ар бир жез атому бир электронду алып жүрүүчү катары кошот деп, жез зымды карап көрөлү. 1 моль жез бар, анын көлөмү, молярдык массасы, тыгыздыгы, анда жез зымдын алып жүрүүчү концентрациясы

Авогадро константасы кайда. Жездин тыгыздыгы табылып, алмаштыруу жолу менен алынган маани бирдик/куб.

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.

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

Бирок физикада токтун жогорудагы аныктамасы чындыгында тар аныктама гана. Электр заряддарынын кыймылы ток болсо, көбүрөөк жалпы токтор өткөргүчтөр менен гана чектелбейт. Мисалы, суутек атомунун электрондору ядрону айланып өткөндө анын орбитасында электр тогу пайда болот.

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

Дагы бир мисал үчүн, заряддалган металл диск, өз огунун айланасында айланып, ошондой эле ар кандай радиустары бар укурук токторду пайда кылат.

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

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

Чынында, вакуумдагы ток Ом мыйзамын канааттандырбайт. Анткени, заряддалган бөлүкчөлөрдүн вакуумдагы кыймылынан пайда болгон электр тогу үчүн ташыгычтар металлдагы тор сыяктуу кагылышкан эмес, ошондуктан вакуумда каршылык жана өткөргүчтүк болбойт.

Электр заряддарынын кыймылы электр тогун пайда кылат, ал эми электр зарядынын өзү электр талаасын козгойт. Бул түшүнбөстүктү пайда кылуу оңой. Ошондуктан көптөгөн адамдар электр тогун түзгөн заряддуу бөлүкчөлөрдүн электр талаасы ачык болушу керек деп ойлошот. Бирок, чындыгында, жалпы өткөргүчтөгү өткөргүч ток үчүн, ташыгычтар көп сандагы оң заряддуу металл иондорунан турган фон боюнча агышат жана өткөргүчтүн өзү нейтралдуу!

Мындай өзгөчө токту биз көбүнчө “эквиваленттүү ток” деп атайбыз. Бул жердеги эквивалент кадимки өткөрүүчү ток сыяктуу эле магнит талаасын пайда кылат дегенди билдирет!

Эскертүү: Бул жерде “эквиваленттүү ток” менен схеманы талдоодо “эквиваленттүү чынжыр” менен чаташтырбаңыз

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.

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?

Жок! Ошондой эле эки түрү бар, атап айтканда магниттөөчү ток жана орун алмаштыруучу ток.

Алар ошондой эле эки эквиваленттүү ток болуп саналат, алар аты айтып тургандай, магнетизмди түшүндүрүү үчүн да киргизилген. Башкача айтканда, алар азыркы «заряддын кыймылынын» негизги мүнөздөмөсүнөн ажырап кетишкен!

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.

Адегенде магниттелүүчү токту карап көрөлү.

Магнитизм электр энергиясынын кыймылынан пайда болоору аныкталды (учурда спиндин ички касиеттери менен магнетизмди түшүндүрүүнү эске албаганда). Табигый магнетизмди түшүндүрүү үчүн француз физиги Ампер «молекулярдык циркуляция» гипотезасын айткан.

Төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, ар кандай атом же молекула борбордун тегерегинде айланып, кичинекей бир циклдик токту, б.а., «молекулярдык циркуляцияны» пайда кылган электр зарядына ээ деп кароого болот.

According to the law that the electric current excites the magnetic field, this molecular circulation will produce a physical quantity called magnetic moment. Its size is the area enclosed by the molecular circulation multiplied by the equivalent current of the molecular circulation, and its direction is in a right-handed spiral relationship with the direction of the circulation, namely

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

.

Кадимки шарттарда заттын молекулярдык айланышынын тизилиши башаламан болгондуктан, төмөндөгү сүрөттүн сол тарабында көрсөтүлгөндөй, зат магниттик эмес. Сырткы магнит талаасына дуушар болгондо, бул молекулярдык циркуляциялар болжол менен тыкан тизилет. Төмөндөгү сүрөттүн оң тарабында көрсөтүлгөндөй, алардын магниттик моменттери мүмкүн болушунча бир багытта тизилип, сансыз кичинекей магнит ийнелери чогулуп, жалпы магнит талаасын пайда кылат жана алардан турган бүт материал магнитке айланат.

Цилиндр сымал магнит бар дейли, ички молекулалык циркуляция тыкан тизилген жана ар бир молекулярдык циркуляциянын магнит бөлүгүнүн четиндеги бөлүмдөрү бири-бирине туташып, төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, чоң циркуляцияны түзөт.

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”.

Демек, магниттелүүчү ток ток болуп саналат, анткени ал чыныгы электр заряддарынын кыймылынан пайда болгон ток менен бирдей, ал эквиваленттүү магнит талаасын пайда кыла алат!

Келгиле, жылыш токту кайрадан карап көрөлү.

Ампер циклинин теоремасы боюнча, жабык жолдогу магнит талаасынын күчүнүн интегралы ушул жол менен чектелген ар кандай ийилген беттеги токтун тыгыздыгынын агымына барабар, башкача айтканда, бул теорема математикада Стокс теоремасы деп аталат. Ал кандайдыр бир жабык жол боюндагы вектордун интегралы анын бүйрөлүү агымынын (бул жерде) жабык жол менен чектелген ар кандай бетке агымына барабар болушу керектигин айтат.

Бул математикалык теорема болгондуктан, ал ар дайым туура болушу керек, анткени математика аксиомаларга негизделген логикалык система.

Therefore, the Ampere Loop Theorem must always hold!

Бирок, таланттуу шотландиялык физик Максвелл туруксуз ток чынжырына туш болгондо, Ампер циклинин теоремасы карама-каршы келерин ачкан.

Кадимки туруксуз ток конденсаторду заряддоо жана разряддоо учурунда пайда болот. Төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, конденсатордун заряддоосунун кыска мөөнөтүндө туруксуз ток бар.

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

Төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөндөй, зымды айланып өткөн жабык жолду, С менен белгиленген чөйрөнү жана аны менен чек ара катары ийри бетти ыктыярдуу түрдө тандап алса болот дейли. Сүрөттө C өзү жана конденсатордун үстүнөн курчалган тегерек тегиздик тандалган. Сол пластинанын ийри бети.

Айланма бетке ылайык, ийри бетине ылайык көрүүгө болот, бирок магнит талаасынын күчүнүн цикл интегралы катары анын маанисин аныктоо керек!

кандай болот?

Максвелл Ампер циклинин теоремасын орнотуу керек деп эсептейт. Эми бир көйгөй бар, себеби агымдын бир бөлүгү биз тарабынан мурда ачылбагандыктан болсо керек, бирок ал бар!

Ошентип, агымдын бул бөлүгүн кантип билсе болот?

Көйгөй плиталардын ортосунда болгондуктан, плиталардын арасынан баштаңыз.

Талдоо аркылуу Максвелл заряддоо же разрядга карабастан, бардык убакта конденсатор плиталарынын ортосунда токтун чоңдугу жана багыты менен синхрондуу физикалык чоңдук бар экенин аныктады. Ал электрдик жылышуу векторунун агымынын убакыттын туундусу, башкача айтканда, орун алмаштыруу ток катары аныкталат.

Бул бөлүк токтун мурда ачылбаган бөлүгү деп эсептелсе, анда толук ток азыр. Башкача айтканда, плиталардын ортосундагы чынжыр ажыратылса да, электрдик жылышуу агымынын туундусу жана токтун суммасы бирге, бүтүндөй , Токтун үзгүлтүксүздүгүн ар дайым камсыз кылуу.

Мурунку карама-каршылыкка кайрылсак, эми Стокс теоремасынын талаптарына ылайык, жабык бет үчүн токтун тыгыздыгынын агымын эсептөөдө жылышуу токунун тыгыздыгын да, башкача айтканда, толук ампердик циклди эске алуу керек экенин билебиз. теорема ошондуктан, Бул жаңы учурдагы компонентти “ачуу” менен Ампер циклинин теоремасынын кризиси чечилет!

Бул жерде “тааныштыруу” эмес, “ачылыш” колдонулганынын себеби. Менин баса белгилеп айткым келгени, мындай агым математикалык компенсация эмес, реалдуу нерсе, бирок ал мурда ачыла элек.

Эмне үчүн ал биринчи кезекте бар? Ал электр тогунун ролун аткаргандыктан, өткөрүүчү ток сыяктуу, магнит талаасын эквиваленттүү дүүлүктүрөт, электр заряддарынын кыймылы жок, зым талап кылынбайт жана Джоуль жылуулук пайда болбойт, ошондуктан ага көңүл бурулбай калган!

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

Башкача айтканда, биз магнит талаасына туш болгондо, токтун баштапкы аныктамасы өтө тар. Электр тогунун маңызы электр зарядынын кыймылы эмес, ал магнит талаасын козгой турган нерсе болушу керек.

Буга чейин токтун бир нече формалары киргизилген. Алардын бардыгы объективдүү түрдө бар жана алардын жалпылыгы – бардык агымдардын магнит талаасын бирдей дүүлүктүрүшү.