What is the electric current? First recall, what is the definition of current we have learned?

Quite simply, the directional movement of charged particles in a conductor is an electric current.

Nëmme wann eng Substanz gelueden Partikelen huet, déi fräi kënne beweegen, kann en elektresche Stroum iwwerdroen – dat heescht Elektrizitéit féieren. Dës gelueden Partikelen, déi un der Leedung deelhuelen, ginn Träger genannt. Fir Metaller, zum Beispill, kënnen nëmmen déi baussenzeg Elektronen vun Atomer als Träger handelen.

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?

Tatsächlech ass Orientéierung relativ zu “zoufälleg Bewegung”!

Well Elektronen mikroskopesch Partikele sinn, musse se déi ganzen Zäit an der thermescher Bewegung sinn. Thermesch Bewegung ass eng zoufälleg Bewegung, wéi an der Figur hei ënnen gewisen.

Dës Bewegung ass tatsächlech ganz séier. Zum Beispill, bei Metaller bei Raumtemperatur ass d’Geschwindegkeet vun der elektronescher thermescher Bewegung an der Uerdnung vun Honnerte vu Kilometer pro Sekonn!

Wann Dir dës zoufälleg Bewegung genau kuckt, fannt Dir datt d’Bewegungsrichtung vun all Partikel zu all Moment zoufälleg ass. Wann Dir d’Geschwindegkeetsvektore vun dëse Partikelen opzielt, ass d’Resultat bal null.

Füügt elo en elektrescht Feld un den Dirigent, an den Elektron iwwerlagert eng Richtungsbewegung op Basis vun der zoufälleger Bewegung. Unzehuelen datt d’elektrescht Feld fir eng gewëssen Zäit lénks ass, gesäit d’Bewegung vun den Elektronen wéi folgend aus. Déi rout Kugel representéieren Metallatome um Kristallgitter, an déi séier bewegend Punkte stellen fräi Elektronen duer.

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.

Tatsächlech ass d’Richtungsbewegung vun Elektronen vill méi lues wéi d’Geschwindegkeet vun der thermescher Bewegung. Dës “Schleifen” Bewegung vun Elektronen gëtt Drift genannt, oder “Drift”. Heiansdo lafe Elektronen an déi entgéintgesate Richtung wéinst Kollisiounen mat Atomer. Awer allgemeng bewegen d’Elektronen an eng Richtung.

Wann dat elektrescht Feld d’Richtung ännert, wäert d’Richtung vum Elektronendrift och änneren.

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.

Dofir ass de Stroum net sou vill déi “Richtungsbewegung” vun der elektrescher Ladung wéi et déi “kollektiv Bewegung” vun der elektrescher Ladung ass.

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

Mir hunn e puer kierperlech Quantitéite geléiert, déi d’Wuert “Intensitéit” enthalen, sou wéi elektresch Feldintensitéit a magnetesch Induktiounsintensitéit. Si representéieren allgemeng d’Verdeelung pro Eenheet Zäit, Eenheetsfläch (oder Eenheetsvolumen, Eenheet Festwénkel). Wéi och ëmmer, d’Wuert “Intensitéit” an der aktueller Intensitéit reflektéiert net déi aktuell Verdeelung vum Gebitt.

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!

Fir dës Relatioun ze kréien, musse mir als éischt eng Konzept-Trägerkonzentratioun klären, dat heescht d’Zuel vun den Träger an engem Eenheetsvolumen, déi duerch  ausgedréckt gëtt.

Et gëtt ugeholl datt den Dirigent Querschnitt ass, d’Trägerkonzentratioun ass, d’Driftgeschwindegkeet ass, an déi gelueden Ladung ass.

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

Dëst ass e mikroskopeschen Ausdrock vun der aktueller Intensitéit.

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

Wou ass Avogadro konstant. D’Dicht vu Kupfer gëtt fonnt, an de Wäert kritt duerch Ersatz ass ongeféier Eenheet / Kubikmeter.

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.

Fir déi, déi Circuiten studéieren, ass dat hei uewen déi komplett Definitioun vum Stroum.

Awer an der Physik ass déi uewe genannte Definitioun vum Stroum tatsächlech nëmmen eng schmuel Definitioun. Méi allgemeng Stréimunge sinn net limitéiert op Dirigenten, soulaang d’Bewegung vun elektresche Ladungen aktuell ass. Zum Beispill, wann d’Elektronen vun engem Waasserstoffatom ronderëm de Kär bewegen, gëtt en elektresche Stroum a senger Ëmlafbunn geformt.

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

Fir en anert Beispill, eng gelueden Metal Scheif, déi ëm seng Achs rotéiert, bildt och Loopstroum mat verschiddene Radien.

Dës Aart vu Stroum ass keen normale Leedungsstroum a kann net Joule Hëtzt generéieren! Kann net e richtege Circuit bilden.

Soss, géift Dir mir eng Berechnung ginn wéi vill Joule Hëtzt pro Sekonn vun den Elektronen vum Waasserstoffatom generéiert gëtt?

Tatsächlech entsprécht de Stroum am Vakuum dem Ohms Gesetz net. Well, fir den elektresche Stroum, deen duerch d’Bewegung vu geluedenen Partikelen am Vakuum geformt gëtt, sinn d’Träger net ähnlech wéi d’Gitter am Metall kollidéiert, sou datt de Vakuum keng Resistenz a keng Konduktioun huet.

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!

Erënnerung: Verwiesselt net den “gläichwäertege Stroum” hei mat dem “gläichwäertege Circuit” an der Circuitanalyse

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.

Déi, déi de photoelektreschen Effekt studéiert hunn, wëssen datt wann de Photoelektron vun der Kathode op d’Anode dreift, wann den Afloss vun der Loft ignoréiert gëtt, gëtt dëse Stroum duerch d’Bewegung vun elektresche Ladungen am Vakuum verursaacht, an et gëtt keng Resistenz, sou datt et ass net vum Ohms Gesetz limitéiert.

Also, ass dëst déi eenzeg Saach iwwer elektresche Stroum an der Physik?

Nee! Et ginn och zwou Zorte, nämlech magnetiséierende Stroum an Verdrängungsstroum.

Si sinn och zwee gläichwäerteg Stréimunge, déi, wéi den Numm et scho seet, och agefouert ginn fir de Magnetismus z’erklären. An anere Wierder, si hu sech vun der Basischarakteristik vun der aktueller “Ladebewegung” ofgebrach!

Dat ass erstaunlech! Et gëtt keng elektresch Ladungsbewegung, also firwat kann et en elektresche Stroum genannt ginn?

Maacht Iech keng Suergen, a lauschtert mech lues a lues no.

Loosst eis als éischt de magnetiséierende Stroum kucken.

Et gouf festgestallt datt de Magnetismus duerch d’Bewegung vun der Elektrizitéit verursaacht gëtt (net d’Erklärung vum Magnetismus duerch déi intrinsesch Eegeschafte vum Spin fir de Moment berücksichtegt). Fir den natierleche Magnetismus z’erklären, huet de franséische Physiker Ampere d’Hypothese vun der “molekulare Zirkulatioun” virgestallt.

Wéi an der Figur hei drënner gewisen, kann all Atom oder Molekül als eng elektresch Ladung ugesi ginn, déi ronderëm den Zentrum rotéiert, a bildt e klenge Schleifstroum, dat heescht “molekulare Zirkulatioun”.

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

Natierlech ass d’Richtung vum magnetesche Moment genee laanscht d’Richtung vum Magnéitfeld geformt vum zirkuléierende Stroum

.

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.

Ugeholl datt et e zylindresche Magnéit ass, déi bannenzeg molekulare Zirkulatioun ass ordentlech arrangéiert, an d’Sektioune vun all molekulare Zirkulatioun um Rand vun der Magnéitsektioun sinn matenee verbonne fir eng grouss Zirkulatioun ze bilden, wéi an der Figur hei ënnendrënner.

Baséierend op dësem kënne mir denken datt e Barmagnéit wéi en energesche Solenoid ass. An anere Wierder, et gëtt en onsichtbare Stroum op der Uewerfläch vum Magnéit verwéckelt! Dës Zort Stroum kann net verbonne a benotzt ginn. Et ass limitéiert op d’Uewerfläch vum Magnéit. Mir nennen et “bindende Stroum” oder “magnetiséierend Stroum”.

Therefore, the magnetizing current is a current, because it is the same as the current formed by the movement of real electric charges, which can equivalently generate a magnetic field!

Let’s look at the displacement current again.

Laut dem Ampere-Schleiftheorem ass den Integral vun der Magnéitfeldstäerkt op engem zouene Wee gläich wéi de Flux vun der Stroumdicht op all kromme Uewerfläch, déi vun dësem Wee begrenzt ass, dat heescht, dësen Theorem gëtt an der Mathematik Stokes’Theorem genannt. Et seet eis datt den Integral vun engem Vektor laanscht all zouene Wee muss gläich sinn wéi de Flux vu sengem Curl (hei) op ​​all Uewerfläch begrenzt vum zouene Wee.

Well et e mathemateschen Theorem ass, muss et ëmmer richteg sinn, well Mathematik ass e logesche System baséiert op Axiomen.

Therefore, the Ampere Loop Theorem must always hold!

Wéi och ëmmer, den talentéierte schottesche Physiker Maxwell huet entdeckt datt wann hien mat engem onbestännege Stroumkrees konfrontéiert ass, den Ampere Loop-Theorem widderspréchlech war.

Déi typesch onbestänneg Stroum geschitt während der Opluedung an Entladung vum Kondensator. Wéi an der Figur ënnendrënner gewisen, gëtt et en onbestänneg Stroum während der kuerzer Period vun der Kondensatorladung.

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

Suppose we consider a closed path that bypasses the wire, as shown in the figure below, the circle marked by C, and the curved surface with it as the boundary can be arbitrarily selected. In the figure, the circular plane enclosed by C itself and across the capacitor are selected. The curved surface of the left plate.

No der kreesfërmeger Uewerfläch kann et gesi ginn, datt no der gebogener Uewerfläch, awer als Loopintegral vun der Magnéitfeldstäerkt, säi Wäert bestëmmt soll ginn!

Wéi geet dat?

De Maxwell mengt datt den Ampere’s Loop-Theorem muss etabléiert ginn. Elo wou et e Problem gëtt, muss et sinn, well en Deel vum Stroum nach net vun eis entdeckt gouf, mä et gëtt et!

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

Well de Problem tëscht de Placken ass, fänkt vun tëscht de Placke un.

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.

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.

Zréck op de fréiere Widdersproch wësse mer elo datt, laut den Ufuerderunge vum Stokes’Theorem, wann Dir de Flux vun der Stroumdicht fir eng zougemaach Uewerfläch berechnen, och d’Dicht vum Verdrängungsstroum sollt berücksichtegt ginn, dat heescht déi komplett Ampere-Schleife. Theorem ass also, Andeems dësen neien aktuellen Komponent “entdecken”, gëtt d’Kris vum Ampere Loop Theorem geléist!

De Grond firwat “Aféierung” net hei benotzt gëtt, mee “Entdeckung” hei benotzt. Wat ech wëll ënnersträichen ass, datt dës Zort vun Stroum net eng mathematesch Kompensatioun ass, mä eng richteg Saach, mä et gouf nach net entdeckt ginn.

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!

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.

Bis elo sinn déi verschidde Forme vu Stroum agefouert ginn. Si existéieren all objektiv, a wat se gemeinsam hunn ass datt all Stréim d’Magnéitfeld gläich opreege kënnen.