Kas yra elektros srovė? Pirmiausia prisiminkite, kokį srovės apibrėžimą sužinojome?

Paprasčiausiai, kryptingas įkrautų dalelių judėjimas laidininke yra elektros srovė.

Tik tada, kai medžiaga turi įkrautų dalelių, kurios gali laisvai judėti, ji gali perduoti elektros srovę, tai yra, pravesti elektrą. Šios įkrautos dalelės, dalyvaujančios laidumu, vadinamos nešikliais. Pavyzdžiui, metalams tik išoriniai atomų elektronai gali veikti kaip nešikliai.

“Kryptinis judėjimas” elektros srovės apibrėžime dažnai nesuprantamas. Daugelis žmonių mano, kad tai reiškia judėjimą tam tikra kryptimi, žinoma, ne! Ar nesikeičia elektronų judėjimo kryptis kintamosios srovės grandinėje?

Tiesą sakant, orientavimosi sportas yra susijęs su „atsitiktiniu judėjimu“!

Kadangi elektronai yra mikroskopinės dalelės, jie visą laiką turi būti šiluminiame judėjime. Šiluminis judėjimas yra atsitiktinis judėjimas, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Šis judėjimas iš tikrųjų yra labai greitas. Pavyzdžiui, metaluose kambario temperatūroje elektroninio šiluminio judėjimo greitis siekia šimtus kilometrų per sekundę!

Jei atidžiai pažvelgsite į šį atsitiktinį judėjimą, pamatysite, kad kiekvienos dalelės judėjimo kryptis bet kuriuo momentu yra atsitiktinė. Jei sudėsite šių dalelių greičio vektorius, rezultatas bus beveik nulis.

Dabar pridėkite prie laidininko elektrinį lauką, o elektronas nukreipia kryptinį judėjimą atsitiktinio judėjimo pagrindu. Darant prielaidą, kad elektrinis laukas tam tikrą laiką yra į kairę, elektronų judėjimas atrodo taip. Raudoni rutuliai žymi metalo atomus kristalinėje gardelėje, o greitai judantys taškai – laisvuosius elektronus.

Ar greitai atrodo? Taip yra todėl, kad elektroninis judėjimas yra tikrai greitas! Tačiau iš tikrųjų atsitiktinis judėjimas, kuris sudaro didelę jo dalį, neprisideda prie srovės. Pašalinus atsitiktinį judesį, visa kita atrodo kaip lėtas vaizdas žemiau.

Iš tiesų kryptingas elektronų judėjimas yra daug lėtesnis nei šiluminio judėjimo greitis. Šis „šlifavimo“ elektronų judėjimas vadinamas dreifu arba „drift“. Kartais elektronai bėgs priešinga kryptimi dėl susidūrimo su atomais. Tačiau apskritai elektronai juda viena kryptimi.

If the electric field changes direction, the direction of electron drift will also change.

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.

Srovės dydis laidininke išreiškiamas srovės intensyvumu. Srovės intensyvumas apibrėžiamas kaip elektros kiekis, praeinantis per laidininko skerspjūvį per laiko vienetą, būtent

Sužinojome keletą fizinių dydžių, kuriuose yra žodis „intensyvumas“, pavyzdžiui, elektrinio lauko intensyvumą ir magnetinės indukcijos intensyvumą. Paprastai jie nurodo pasiskirstymą laiko vienetui, ploto vienetui (arba tūrio vienetui, erdvės kampo vienetui). Tačiau dabartinio intensyvumo žodis „intensyvumas“ neatspindi dabartinio ploto paskirstymo.

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!

Norėdami gauti šį ryšį, pirmiausia turime išsiaiškinti sąvoką-nešiklio koncentraciją, tai yra nešėjų skaičių tūrio vienete, kuris išreiškiamas .

Daroma prielaida, kad laidininko skerspjūvis yra, nešiklio koncentracija yra, dreifo greitis yra ir įkrautas krūvis yra.

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

Tai mikroskopinė srovės intensyvumo išraiška.

Srovės tankis yra srovės paskirstymas plotui, taigi srovės tankio dydis yra, bet jis apibrėžiamas kaip vektorius, o kryptis yra teigiamai įkrautų nešėjų dreifo greičio vektoriaus kryptis, taigi elektronų dreifas metalo galima gauti naudojant šį greitį, kaip pavyzdys pateiktas toliau.

Apsvarstykite varinę vielą, darant prielaidą, kad kiekvienas vario atomas įneša elektroną kaip nešiklį. Vario yra 1 molis, jo tūris yra, molinė masė yra, tankis yra, tada varinės vielos nešiklio koncentracija yra

Kur yra Avogadro konstanta. Rastas vario tankis, o pakeičiant gauta vertė yra apie vienetą/kubinį metrą.

Darant prielaidą, kad varinės vielos spindulys yra 0.8 mm, tekanti srovė yra 15A, =1.6 C, o elektronų dreifo greitis apskaičiuojamas kaip

Galima pastebėti, kad elektronų dreifo greitis iš tiesų yra labai mažas.

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

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.

Tarkime, elektroninio krūvio dydis ir judėjimo laikotarpis yra. Tada kiekvieną kartą, kai tai praeina, per bet kurį kilpos skerspjūvį praeina toks didelis krūvis, todėl srovės intensyvumas yra pagrįstas periodo, dažnio ir kampinio greičio ryšiu, o srovė taip pat gali būti išreikšta kaip

For another example, a charged metal disk, rotating around its axis, also forms loop currents with different radii.

Tokia srovė nėra įprasta laidumo srovė ir negali generuoti Džaulio šilumos! Negali sudaryti tikros grandinės.

Priešingu atveju, ar galėtumėte man apskaičiuoti, kiek džaulių šilumos per sekundę sukuria vandenilio atomo elektronai?

Tiesą sakant, srovė vakuume neatitinka Ohmo dėsnio. Kadangi elektros srovei, susidariusiai judant įkrautoms dalelėms vakuume, nešikliai nesusiduria panašiai kaip metalo gardelės, todėl vakuumas neturi varžos ir laidumo.

Judant elektros krūviams susidaro elektros srovė, o pats elektros krūvis sužadina elektrinį lauką. Tai lengva sukelti nesusipratimą. Todėl daugelis žmonių mano, kad įkrautų dalelių, kurios sudaro elektros srovę, elektrinis laukas turi būti veikiamas. Tačiau iš tikrųjų laidumo srovei bendrame laidininke nešikliai teka fone, sudarytame iš daugybės teigiamai įkrautų metalo jonų, o pats laidininkas yra neutralus!

Šią specialią srovę dažnai vadiname „ekvivalente srove“. Ekvivalentas čia reiškia, kad jis generuoja magnetinį lauką tuo pačiu pagrindu kaip ir įprasta laidumo srovė!

Priminimas: nepainiokite „ekvivalentinės srovės“ su „ekvivalentine grandine“ grandinės analizėje

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.

Tie, kurie tyrė fotoelektrinį efektą, žino, kad fotoelektronui dreifuojant nuo katodo iki anodo, ignoruojant oro įtaką, šią srovę sukelia elektros krūvių judėjimas vakuume, o pasipriešinimo nėra, todėl nėra ribojamas Ohmo dėsnio.

Taigi, ar tai vienintelis dalykas apie elektros srovę fizikoje?

Ne! Taip pat yra dviejų tipų, būtent įmagnetinimo srovė ir poslinkio srovė.

Tai taip pat yra dvi lygiavertės srovės, kurios, kaip rodo pavadinimas, taip pat įvedamos siekiant paaiškinti magnetizmą. Kitaip tariant, jie atitrūko nuo pagrindinės dabartinio „įkrovimo judėjimo“ charakteristikos!

Tai nuostabu! Nėra elektros krūvio judėjimo, tad kodėl jį galima vadinti elektros srove?

Nesijaudink ir klausyk manęs lėtai.

Pirmiausia pažiūrėkime į įmagnetinimo srovę.

Nustatyta, kad magnetizmą sukelia elektros judėjimas (kol kas neatsižvelgiant į magnetizmo paaiškinimą vidinėmis sukimosi savybėmis). Siekdamas paaiškinti natūralų magnetizmą, prancūzų fizikas Ampere’as iškėlė „molekulinės cirkuliacijos“ hipotezę.

Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, bet kuris atomas ar molekulė gali būti laikoma turinčia elektros krūvį, besisukantį aplink centrą, sudarydama mažytę kilpos srovę, ty „molekulinę cirkuliaciją“.

Pagal įstatymą, kad elektros srovė sužadina magnetinį lauką, ši molekulinė cirkuliacija sukurs fizikinį dydį, vadinamą magnetiniu momentu. Jo dydis yra molekulinės cirkuliacijos aptvertas plotas, padaugintas iš ekvivalentinės molekulinės cirkuliacijos srovės, o jo kryptis yra dešinės spiralinės santykio su cirkuliacijos kryptimi, t.

Akivaizdu, kad magnetinio momento kryptis tiksliai atitinka cirkuliuojančios srovės suformuoto magnetinio lauko kryptį

.

Įprastomis aplinkybėmis medžiagos molekulinės cirkuliacijos išdėstymas yra chaotiškas, todėl medžiaga nėra magnetinė, kaip parodyta kairėje paveikslo pusėje. Veikiant išoriniam magnetiniam laukui, šios molekulinės cirkuliacijos bus maždaug tvarkingai išdėstytos. Kaip parodyta dešinėje paveikslo pusėje, jų magnetiniai momentai yra išdėstyti viena kryptimi, kiek įmanoma, kaip ir nesuskaičiuojama daugybė mažų magnetinių adatėlių, susijungusių, kad sudarytų bendrą magnetinį lauką, ir visa iš jų sudaryta medžiaga tampa magnetinė.

Tarkime, kad yra cilindrinis magnetas, vidinė molekulinė cirkuliacija yra tvarkingai išdėstyta, o kiekvienos molekulinės cirkuliacijos sekcijos magneto sekcijos krašte yra sujungtos, kad sudarytų didelę cirkuliaciją, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Remdamiesi tuo, galime manyti, kad strypo magnetas yra tarsi įjungtas solenoidas. Kitaip tariant, magneto paviršiuje yra nematoma srovė! Tokios srovės negalima prijungti ir naudoti. Jis apsiriboja magneto paviršiumi. Mes tai vadiname „rišamąja srove“ arba „magnetizuojančia srove“.

Todėl įmagnetinimo srovė yra srovė, nes ji yra tokia pati kaip srovė, susidaranti judant tikriems elektros krūviams, kurie lygiaverčiai gali generuoti magnetinį lauką!

Dar kartą pažiūrėkime į poslinkio srovę.

Pagal Ampero kilpos teoremą magnetinio lauko stiprio integralas uždarame kelyje yra lygus srovės tankio srautui bet kuriame lenktame paviršiuje, kurį riboja šis kelias, tai yra ši teorema matematikoje vadinama Stokso teorema. Tai mums sako, kad vektoriaus integralas išilgai bet kurio uždaro kelio turi būti lygus jo garbanos srautui (čia) į bet kurį paviršių, kurį riboja uždaras kelias.

Kadangi tai yra matematinė teorema, ji visada turi būti teisinga, nes matematika yra loginė sistema, pagrįsta aksiomomis.

Therefore, the Ampere Loop Theorem must always hold!

Tačiau talentingas škotų fizikas Maxwellas atrado, kad susidūrus su nestabilia srovės grandine Ampero kilpos teorema buvo prieštaringa.

Tipiška nestabili srovė atsiranda įkraunant ir iškraunant kondensatorių. Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, per trumpą kondensatoriaus įkrovimo laikotarpį yra nestabili srovė.

Bet grandinė yra atjungta tarp kondensatoriaus plokščių, o tai sukels rimtą problemą.

Tarkime, kad laikysime uždarą kelią, aplenkiantį laidą, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, apskritimą, pažymėtą C, ir lenktą paviršių, kurio riba gali būti pasirinkta savavališkai. Paveiksle pasirinkta apvali plokštuma, kurią uždaro pats C ir per kondensatorių. Išlenktas kairiosios plokštės paviršius.

Pagal apskritą paviršių matyti, kad pagal lenktą paviršių, bet kaip magnetinio lauko stiprumo kilpos integralą, reikia nustatyti jo reikšmę!

Kaip padaryti?

Maxwellas mano, kad turi būti nustatyta Ampero kilpos teorema. Dabar, kai yra problema, ji turi būti todėl, kad srovės dalies anksčiau mes neatradome, bet ji egzistuoja!

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

Since the problem is between the plates, start from between the plates.

Atlikdamas analizę, Maxwellas nustatė, kad nepaisant įkrovimo ar iškrovimo, tarp kondensatoriaus plokščių visada yra fizinis dydis, kuris yra sinchronizuojamas su srovės dydžiu ir kryptimi. Tai yra elektrinio poslinkio vektoriaus srauto laiko išvestinė, tai yra, ji apibrėžiama kaip poslinkio srovė.

Jei manoma, kad ši dalis yra ta srovės dalis, kuri anksčiau nebuvo aptikta, tada visa srovė yra dabar. Tai reiškia, kad nors grandinė tarp plokščių yra atjungta, elektros poslinkio srauto išvestinė ir srovės suma kartu, kaip visuma , Visada užtikrinkite srovės tęstinumą.

Grįžtant prie ankstesnio prieštaravimo, dabar žinome, kad pagal Stokso teoremos reikalavimus, skaičiuojant uždaro paviršiaus srovės tankio srautą, reikia atsižvelgti ir į poslinkio srovės tankį, tai yra visą amperinę kilpą. Todėl teorema yra „atradus“ šį naują dabartinį komponentą, Ampero kilpos teoremos krizė išspręsta!

Priežastis, kodėl čia vartojamas ne „įvadas“, o čia – „atradimas“. Noriu pabrėžti, kad tokia srovė nėra matematinė kompensacija, o realus dalykas, tačiau jis anksčiau nebuvo atrastas.

Kodėl ji apskritai egzistuoja? Kadangi jis veikia kaip elektros srovė, kaip ir laidumo srovė, ji lygiaverčiai sužadina magnetinį lauką, išskyrus tai, kad nejuda elektros krūviai, nereikia jokio laido ir negalima generuoti džaulio šilumos, todėl į tai buvo nepaisoma!

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

Kitaip tariant, kai susiduriame su magnetiniu lauku, pirminis srovės apibrėžimas yra per siauras. Elektros srovės esmė nėra elektros krūvio judėjimas, tai turėtų būti kažkas, kas gali sužadinti magnetinį lauką.

So far, the several forms of current have been introduced. They all exist objectively, and what they have in common is that all currents can equally excite the magnetic field.