Kas ir elektriskā strāva? Vispirms atcerieties, kāda ir strāvas definīcija, ko mēs esam iemācījušies?

Gluži vienkārši, lādētu daļiņu virziena kustība vadītājā ir elektriskā strāva.

Tikai tad, kad vielai ir uzlādētas daļiņas, kas var brīvi pārvietoties, tā var pārraidīt elektrisko strāvu, tas ir, vadīt elektrību. Šīs uzlādētās daļiņas, kas piedalās vadīšanā, sauc par nesējiem. Piemēram, metāliem kā nesēji var darboties tikai atomu ārējie elektroni.

“Virziena kustība” elektriskās strāvas definīcijā bieži tiek pārprasta. Daudzi cilvēki domā, ka tas attiecas uz kustību ar noteiktu virzienu, protams, nē! Vai maiņstrāvas ķēdē nemainās elektronu kustības virziens?

Faktiski orientēšanās ir saistīta ar “nejaušas kustību”!

Tā kā elektroni ir mikroskopiskas daļiņas, tiem visu laiku jābūt termiskā kustībā. Termiskā kustība ir nejauša kustība, kā parādīts attēlā zemāk.

Šī kustība patiesībā ir ļoti ātra. Piemēram, metālos istabas temperatūrā elektroniskās termiskās kustības ātrums ir simtiem kilometru sekundē!

Ja paskatās uz šo nejaušo kustību, jūs atklāsiet, ka katras daļiņas kustības virziens ir nejaušs jebkurā brīdī. Ja saskaita šo daļiņu ātruma vektorus, rezultāts ir gandrīz nulle.

Tagad pievienojiet vadītājam elektrisko lauku, un elektrons uzliek virziena kustību, pamatojoties uz nejaušu kustību. Pieņemot, ka elektriskais lauks noteiktu laiku atrodas pa kreisi, elektronu kustība izskatās šādi. Sarkanās bumbiņas attēlo metāla atomus uz kristāla režģa, un ātri kustīgie punkti apzīmē brīvos elektronus.

Vai tas izskatās ātri? Tas ir tāpēc, ka elektroniskā kustība ir patiešām ātra! Bet patiesībā nejaušā kustība, kas veido lielu tās daļu, neveicina strāvu. Kad nejaušā kustība ir novērsta, pārējais ir tieši tāds pats kā lēnajā attēlā zemāk.

Patiešām, elektronu virziena kustība ir daudz lēnāka nekā termiskās kustības ātrums. Šo elektronu “slīpošo” kustību sauc par dreifēšanu vai “drift”. Dažreiz elektroni darbosies pretējā virzienā sadursmes ar atomiem dēļ. Bet kopumā elektroni pārvietojas vienā virzienā.

Ja elektriskā lauka virziens mainās, mainīsies arī elektronu dreifēšanas virziens.

Tāpēc šāda virziena kustība nozīmē, ka visu elektronu, kas piedalās vadīšanā, ātrumu summa noteiktā laikā nav nulle, bet parasti ir noteiktā virzienā. Šo virzienu var mainīt jebkurā laikā, un tas ir maiņstrāvas gadījumā.

Tāpēc strāva ir ne tik daudz elektriskā lādiņa “virziena kustība”, cik elektriskā lādiņa “kolektīvā kustība”.

Strāvas lielumu vadītājā izsaka ar strāvas intensitāti. Strāvas intensitāte ir definēta kā elektroenerģijas daudzums, kas laika vienībā iet caur vadītāja šķērsgriezumu, proti,

Mēs esam iemācījušies dažus fiziskus lielumus, kas satur vārdu “intensitāte”, piemēram, elektriskā lauka intensitāte un magnētiskās indukcijas intensitāte. Tie parasti atspoguļo sadalījumu laika vienībā, laukuma vienībā (vai tilpuma vienībā, telpiskā leņķa vienībā). Tomēr vārds “intensitāte” pašreizējā intensitātē neatspoguļo pašreizējo platības sadalījumu.

Faktiski cits fiziskais lielums ir atbildīgs par strāvas sadalījumu apgabalā, kas ir strāvas blīvums.

Tā kā elektriskās strāvas būtība ir elektriskā lādiņa virziena kustība, tad starp strāvas intensitāti un dreifēšanas ātrumu ir jābūt noteiktai attiecībai!

Lai iegūtu šo sakarību, vispirms ir jānoskaidro jēdziens-nesēja koncentrācija, tas ir, nesēju skaits tilpuma vienībā, ko izsaka ar .

Tiek pieņemts, ka vadītāja šķērsgriezums ir, nesēja koncentrācija ir, dreifēšanas ātrums ir un uzlādētais lādiņš ir.

Tad lādiņš vadītājā virsmas kreisajā pusē ir, un šie lādiņi noteiktā laika posmā izies cauri virsmai, tāpēc

Šī ir strāvas intensitātes mikroskopiskā izteiksme.

Strāvas blīvums ir strāvas sadalījums laukumam, tāpēc strāvas blīvuma lielums ir, bet tas ir definēts kā vektors, un virziens ir pozitīvi lādētu nesēju dreifēšanas ātruma vektora virziens, tātad elektronu novirze metālu var iegūt no šī ātruma, kā piemēru var minēt tālāk.

Apsveriet vara stiepli, pieņemot, ka katrs vara atoms nodrošina elektronu kā nesēju. Ir 1 mols vara, tā tilpums ir, molārā masa ir, blīvums ir, tad vara stieples nesēja koncentrācija ir

Kur ir Avogadro konstante. Tiek atrasts vara blīvums, un aizvietojot iegūtā vērtība ir aptuveni vienība/kubikmetrs.

Pieņemot, ka vara stieples rādiuss ir 0.8 mm, plūstošā strāva ir 15A, =1.6 C, un elektronu dreifēšanas ātrumu aprēķina kā

Var redzēt, ka elektronu dreifēšanas ātrums patiešām ir ļoti mazs.

Tiem, kas pēta shēmas, iepriekš sniegtā ir pilnīga strāvas definīcija.

Bet fizikā iepriekš minētā strāvas definīcija patiesībā ir tikai šaura definīcija. Vispārīgākas strāvas neaprobežojas tikai ar vadītājiem, ja vien elektrisko lādiņu kustība ir strāva. Piemēram, kad ūdeņraža atoma elektroni pārvietojas ap kodolu, tā orbītā veidojas elektriskā strāva.

Pieņemsim, ka elektroniskās uzlādes apjoms ir un kustības periods ir. Tad katru reizi, kad tas paiet, caur jebkuru cilpas šķērsgriezumu iziet tik liels lādiņš, tāpēc strāvas intensitāte ir balstīta uz attiecību starp periodu, frekvenci un leņķisko ātrumu, un strāvu var izteikt arī kā

Piemēram, uzlādēts metāla disks, griežoties ap savu asi, arī veido cilpas strāvas ar dažādiem rādiusiem.

Šāda veida strāva nav normāla vadīšanas strāva un nevar radīt džoula siltumu! Nevar izveidot īstu ķēdi.

Pretējā gadījumā, vai jūs man dotu aprēķinu, cik daudz džoulu siltuma sekundē ģenerē ūdeņraža atoma elektroni?

Faktiski strāva vakuumā neatbilst Ohma likumam. Tā kā elektriskajai strāvai, ko veido lādētu daļiņu kustība vakuumā, nesēji nesaduras līdzīgi kā režģis metālā, tāpēc vakuumam nav pretestības un vadītspējas.

Elektrisko lādiņu kustība rada elektrisko strāvu, un pats elektriskais lādiņš ierosina elektrisko lauku. Tas ir viegli izraisīt pārpratumus. Tāpēc daudzi cilvēki domā, ka lādēto daļiņu, kas veido elektrisko strāvu, elektriskais lauks ir jāatklāj. Bet patiesībā vadīšanas strāvai vispārējā vadītājā nesēji plūst uz fona, kas sastāv no liela skaita pozitīvi lādētu metāla jonu, un pats vadītājs ir neitrāls!

Mēs bieži saucam šāda veida īpašo strāvu par “ekvivalentu strāvu”. Ekvivalents šeit nozīmē, ka tas rada magnētisko lauku tāpat kā parastā vadīšanas strāva!

Atgādinājums: ķēdes analīzē nejauciet “ekvivalento strāvu” ar “ekvivalento ķēdi”.

Faktiski, kad mēs pirmo reizi pētījām magnētisko lauku, elektriskā strāva Biota-Safara likumā bija vispārinātā elektriskā strāva, kas saturēja šo līdzvērtīgo strāvu. Protams, vadīšanas strāva Maksvela vienādojumos attiecas arī uz vispārināto strāvu.

Tie, kas pētījuši fotoelektrisko efektu, zina, ka, fotoelektronam dreifējot no katoda uz anodu, ja gaisa ietekmi ignorē, šo strāvu rada elektrisko lādiņu kustība vakuumā, un nav pretestības, tāpēc To neierobežo Oma likums.

Tātad, vai šī ir vienīgā lieta par elektrisko strāvu fizikā?

Nē! Ir arī divi veidi, proti, magnetizējošā strāva un pārvietošanas strāva.

Tās ir arī divas līdzvērtīgas strāvas, kuras, kā norāda nosaukums, arī tiek ieviestas, lai izskaidrotu magnētismu. Citiem vārdiem sakot, viņi ir atrāvušies no pašreizējās “lādiņu kustības” pamatīpašības!

Tas ir pārsteidzoši! Nav elektriskā lādiņa kustības, tad kāpēc to var saukt par elektrisko strāvu?

Neuztraucieties un lēnām klausieties manī.

Vispirms apskatīsim magnetizācijas strāvu.

Tika konstatēts, ka magnētismu izraisa elektrības kustība (pagaidām neņemot vērā magnētisma skaidrojumu ar spina raksturīgajām īpašībām). Lai izskaidrotu dabisko magnētismu, franču fiziķis Ampere izvirzīja hipotēzi par “molekulāro cirkulāciju”.

Kā parādīts attēlā zemāk, var uzskatīt, ka jebkuram atomam vai molekulai ir elektriskais lādiņš, kas rotē ap centru, veidojot niecīgu cilpas strāvu, tas ir, “molekulāro cirkulāciju”.

Saskaņā ar likumu, ka elektriskā strāva ierosina magnētisko lauku, šī molekulārā cirkulācija radīs fizisku lielumu, ko sauc par magnētisko momentu. Tā lielums ir molekulārās cirkulācijas aptvertais laukums, kas reizināts ar ekvivalento molekulārās cirkulācijas strāvu, un tā virziens ir labās puses spirālveida attiecībās ar cirkulācijas virzienu, proti,

Acīmredzot magnētiskā momenta virziens ir tieši cirkulējošās strāvas veidotā magnētiskā lauka virzienā

.

Normālos apstākļos vielas molekulārās cirkulācijas izkārtojums ir haotisks, tāpēc viela nav magnētiska, kā parādīts zemāk esošā attēla kreisajā pusē. Pakļaujot ārējam magnētiskajam laukam, šīs molekulārās cirkulācijas būs aptuveni glīti sakārtotas. Kā parādīts attēla labajā pusē, to magnētiskie momenti ir izkārtoti vienā virzienā, cik vien iespējams, tāpat kā neskaitāmas mazas magnētiskās adatas, kas ir savāktas kopā, lai izveidotu kopējo magnētisko lauku, un viss no tiem sastāvošais materiāls kļūst magnētisks.

Pieņemsim, ka ir cilindrisks magnēts, iekšējā molekulārā cirkulācija ir glīti sakārtota, un katras molekulārās cirkulācijas sekcijas magnēta sekcijas malā ir savienotas kopā, veidojot lielu cirkulāciju, kā parādīts attēlā zemāk.

Pamatojoties uz to, mēs varam domāt, ka stieņa magnēts ir kā elektromagnētisks solenoīds. Citiem vārdiem sakot, uz magnēta virsmas ir sapinusies neredzama strāva! Šāda veida strāvu nevar pieslēgt un izmantot. Tas ir ierobežots līdz magnēta virsmai. Mēs to saucam par “saistošo strāvu” vai “magnetizējošo strāvu”.

Tāpēc magnetizējošā strāva ir strāva, jo tā ir tāda pati kā strāva, ko veido reālu elektrisko lādiņu kustība, kas līdzvērtīgi spēj radīt magnētisko lauku!

Apskatīsim vēlreiz nobīdes strāvu.

Saskaņā ar Ampera cilpas teorēmu magnētiskā lauka intensitātes integrālis slēgtā ceļā ir vienāds ar strāvas blīvuma plūsmu uz jebkuras izliektas virsmas, ko ierobežo šis ceļš, tas ir, šo teorēmu matemātikā sauc par Stoksa teorēmu. Tas norāda, ka vektora integrālim pa jebkuru slēgtu ceļu ir jābūt vienādam ar tā izliekuma plūsmu (šeit) uz jebkuru virsmu, ko ierobežo slēgtais ceļš.

Tā kā tā ir matemātiska teorēma, tai vienmēr jābūt pareizai, jo matemātika ir loģiska sistēma, kuras pamatā ir aksiomas.

Tāpēc ampēra cilpas teorēmai vienmēr ir jābūt spēkā!

Tomēr talantīgais skotu fiziķis Maksvels atklāja, ka, saskaroties ar nestabilu strāvas ķēdi, Ampere cilpas teorēma bija pretrunīga.

Tipiskā nestabilā strāva rodas kondensatora uzlādes un izlādes laikā. Kā parādīts attēlā zemāk, kondensatora īsajā uzlādes periodā ir nestabila strāva.

Bet ķēde ir atvienota starp kondensatora plāksnēm, kas radīs nopietnu problēmu.

Pieņemsim, ka mēs uzskatām slēgtu ceļu, kas apiet vadu, kā parādīts attēlā zemāk, apli, kas apzīmēts ar C, un izliekto virsmu ar to kā robežu var patvaļīgi atlasīt. Attēlā ir izvēlēta apļveida plakne, ko aptver pati C un pāri kondensatoram. Kreisās plāksnes izliekta virsma.

Pēc apļveida virsmas redzams, ka pēc izliektās virsmas, bet kā magnētiskā lauka intensitātes cilpas integrālis jānosaka tā vērtība!

Kā to izdarīt?

Maksvels uzskata, ka ir jāizveido Ampera cilpas teorēma. Tagad, kad ir problēma, tā noteikti ir tāpēc, ka daļu straumes mēs iepriekš neesam atklājuši, bet tā pastāv!

Tātad, kā uzzināt šo strāvas daļu?

Tā kā problēma ir starp plāksnēm, sāciet no starp plāksnēm.

Veicot analīzi, Maksvels atklāja, ka neatkarīgi no uzlādes vai izlādes starp kondensatora plāksnēm vienmēr ir fiziskais daudzums, kas ir sinhronizēts ar strāvas lielumu un virzienu. Tas ir elektriskā pārvietojuma vektora plūsmas laika atvasinājums, tas ir, tas tiek definēts kā pārvietošanas strāva.

Ja uzskata, ka šī daļa ir tā strāvas daļa, kas iepriekš nav atklāta, tad pilnīga strāva ir tagad. Tas nozīmē, ka, lai gan ķēde starp plāksnēm ir atvienota, elektriskās nobīdes plūsmas atvasinājums un strāvas summa kopā, kā veselums, vienmēr nodrošina strāvas nepārtrauktību.

Atgriežoties pie iepriekšējās pretrunas, tagad zinām, ka saskaņā ar Stoksa teorēmas prasībām, aprēķinot strāvas blīvuma plūsmu slēgtai virsmai, jāņem vērā arī nobīdes strāvas blīvums, tas ir, pilnā ampēra cilpa. tāpēc teorēma ir: “Atklājot” šo jauno pašreizējo komponentu, tiek atrisināta Ampere Loop teorēmas krīze!

Iemesls, kāpēc šeit netiek lietots “ievads”, bet šeit tiek lietots “atklājums”. Ko es gribu uzsvērt, ka šāda veida strāva nav matemātiska kompensācija, bet gan reāla lieta, taču tā iepriekš nav atklāta.

Kāpēc tas vispār pastāv? Tā kā tas darbojas kā elektriskā strāva, tāpat kā vadīšanas strāva, tas līdzvērtīgi ierosina magnētisko lauku, izņemot to, ka nav elektrisko lādiņu kustības, nav nepieciešams vads un nevar radīt džoula siltumu, tāpēc tas ir ignorēts!

Bet tas patiesībā eksistē pats no sevis, tikai turiet zemu profilu, tas visu laiku ir klusi uzbudinājis tur esošo magnētisko lauku!

Citiem vārdiem sakot, kad mēs saskaramies ar magnētisko lauku, sākotnējā strāvas definīcija ir pārāk šaura. Elektriskās strāvas būtība nav elektriskā lādiņa kustība, tai vajadzētu būt kaut kam, kas spēj ierosināt magnētisko lauku.

Līdz šim ir ieviesti vairāki strāvas veidi. Tie visi pastāv objektīvi, un tiem ir kopīgs tas, ka visas strāvas var vienādi ierosināt magnētisko lauku.