Цахилгаан гүйдэл гэж юу вэ? Эхлээд эргэн санацгаая, бидний олж мэдсэн гүйдлийн тодорхойлолт юу вэ?

Энгийнээр хэлбэл, дамжуулагч дахь цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн чиглэлтэй хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл юм.

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.

Цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолт дахь “чиглэл хөдөлгөөн” -ийг ихэвчлэн буруу ойлгодог. Олон хүмүүс үүнийг тодорхой чиглэлтэй хөдөлгөөнийг хэлдэг гэж боддог, мэдээжийн хэрэг үгүй! Хувьсах гүйдлийн хэлхээний электронуудын хөдөлгөөний чиглэл өөрчлөгдөхгүй гэж үү?

Үнэн хэрэгтээ, чиг баримжаа олгох нь “санамсаргүй хөдөлгөөн” -тэй холбоотой юм!

Электронууд нь бичил харуурын тоосонцор учраас тэд үргэлж дулааны хөдөлгөөнд байх ёстой. Дулааны хөдөлгөөн нь доорх зурагт үзүүлсэн шиг санамсаргүй хөдөлгөөн юм.

This movement is actually very fast. For example, in metals at room temperature, the speed of electronic thermal movement is on the order of hundreds of kilometers per second!

Хэрэв та энэхүү санамсаргүй хөдөлгөөнийг сайтар ажиглавал бөөмс бүрийн хөдөлгөөний чиглэл ямар ч үед санамсаргүй байдгийг олж харах болно. Хэрэв та эдгээр бөөмсийн хурдны векторуудыг нэмбэл үр дүн нь бараг тэг болно.

Одоо дамжуулагч руу цахилгаан орон нэмж, электрон санамсаргүй хөдөлгөөний үндсэн дээр чиглэлтэй хөдөлгөөнийг давхарлана. Цахилгаан орон тодорхой хугацаанд зүүн талд байна гэж үзвэл электронуудын хөдөлгөөн дараах байдалтай байна. Улаан бөмбөлөгүүд нь болор тор дээрх металлын атомуудыг, хурдан хөдөлдөг цэгүүд нь чөлөөт электронуудыг төлөөлдөг.

Энэ нь хурдан харагдаж байна уу? Учир нь цахим хөдөлгөөн үнэхээр хурдан байдаг! Гэвч үнэн хэрэгтээ түүний ихээхэн хувийг эзэлдэг санамсаргүй хөдөлгөөн нь гүйдэлд нөлөөлдөггүй. Санамсаргүй хөдөлгөөнийг арилгахад бусад нь яг л доор байгаа удаан харагдахтай адил болно.

Indeed, the directional movement of electrons is much slower than the speed of thermal movement. This “grinding” movement of electrons is called drift, or “drift”. Sometimes, electrons will run in the opposite direction because of collisions with atoms. But in general, electrons move in one direction.

Хэрэв цахилгаан талбайн чиглэл өөрчлөгдвөл электрон шилжилтийн чиглэл мөн өөрчлөгдөнө.

Иймээс ийм чиглэлтэй хөдөлгөөн гэдэг нь тодорхой хугацаанд дамжуулалтад оролцож буй бүх электронуудын хурдны нийлбэр тэг биш, ерөнхийдөө тодорхой чиглэлд байна гэсэн үг юм. Энэ чиглэлийг ямар ч үед өөрчилж болох бөгөөд энэ нь хувьсах гүйдлийн тохиолдол юм.

Therefore, current is not so much the “directional movement” of electric charge as it is the “collective movement” of electric charge.

Дамжуулагч дахь гүйдлийн хэмжээг одоогийн эрч хүчээр илэрхийлнэ. Гүйдлийн эрчмийг нэгж хугацаанд дамжуулагчийн хөндлөн огтлолоор дамжин өнгөрөх цахилгааны хэмжээ гэж тодорхойлдог.

Бид цахилгаан орны эрчим, соронзон индукцийн эрч хүч гэх мэт “эрчим” гэдэг үгийг агуулсан зарим физик хэмжигдэхүүнүүдийг олж мэдсэн. Тэдгээр нь ерөнхийдөө нэгж цаг, нэгж талбай (эсвэл нэгж эзэлхүүн, нэгж цул өнцөг)-ийн хуваарилалтыг илэрхийлдэг. Гэсэн хэдий ч одоогийн эрчим дэх “эрчим” гэдэг нь тухайн газар нутгийн одоогийн хуваарилалтыг тусгаагүй болно.

Үнэн хэрэгтээ өөр нэг физик хэмжигдэхүүн нь гүйдлийг тухайн талбайд хуваарилах үүрэгтэй бөгөөд энэ нь одоогийн нягт юм.

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!

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 .

Дамжуулагчийн хөндлөн огтлол нь, тээвэрлэгчийн концентраци нь, шилжилтийн хурд нь, цэнэгийн цэнэг нь байна гэж үздэг.

Дараа нь гадаргуугийн зүүн талд байгаа дамжуулагчийн цэнэг байх ба эдгээр цэнэгүүд тодорхой хугацааны дотор гадаргуугаар дамжин өнгөрөх тул

Энэ нь гүйдлийн эрчмийг микроскопоор илэрхийлдэг.

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

Авогадрогийн тогтмол хаана байна. Зэсийн нягтыг олж, орлуулах замаар олж авсан утга нь нэгж/шоо метр байна.

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

Эндээс харахад электронуудын шилжилтийн хурд үнэхээр бага байдаг.

Хэлхээ судалдаг хүмүүсийн хувьд дээрх гүйдлийн бүрэн тодорхойлолт юм.

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.

Цахим цэнэгийн хэмжээ, хөдөлгөөний хугацаа байна гэж бодъё. Дараа нь өнгөрөх бүрд давталтын аль ч хөндлөн огтлолоор ийм их хэмжээний цэнэг дамждаг тул гүйдлийн эрчим нь үе, давтамж, өнцгийн хурд хоорондын хамаарал дээр суурилдаг бөгөөд гүйдлийг мөн дараах байдлаар илэрхийлж болно.

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

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?

In fact, the current in vacuum does not satisfy Ohm’s law. Because, for the electric current formed by the movement of charged particles in the vacuum, the carriers are not collided similar to the lattice in the metal, so the vacuum has no resistance and no conductance.

Цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд цахилгаан цэнэг нь өөрөө цахилгаан талбарыг өдөөдөг. Энэ нь үл ойлголцол үүсгэхэд хялбар байдаг. Тиймээс олон хүмүүс цахилгаан гүйдлийг үүсгэдэг цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн цахилгаан талбарыг ил гаргах ёстой гэж боддог. Гэвч үнэн хэрэгтээ ерөнхий дамжуулагч дахь дамжуулалтын гүйдлийн хувьд тээвэрлэгчид олон тооны эерэг цэнэгтэй металл ионуудаас бүрдэх дэвсгэр дээр урсдаг бөгөөд дамжуулагч нь өөрөө төвийг сахисан байдаг!

Бид энэ төрлийн тусгай гүйдлийг ихэвчлэн “эквивалент гүйдэл” гэж нэрлэдэг. Энд байгаа эквивалент нь ердийн дамжуулалтын гүйдэлтэй адил үндсэн дээр соронзон орон үүсгэдэг гэсэн үг юм!

Сануулга: Хэлхээний шинжилгээнд “эквивалент гүйдэл”-ийг “эквивалент хэлхээ”-тэй андуурч болохгүй.

Үнэн хэрэгтээ бид соронзон орныг анх судалж байх үед Биот-Саффарын хуульд заасан цахилгаан гүйдэл нь энэхүү эквивалент гүйдлийг агуулсан ерөнхий цахилгаан гүйдэл байв. Мэдээжийн хэрэг, Максвеллийн тэгшитгэл дэх дамжуулалтын гүйдэл нь ерөнхий гүйдлийг мөн илэрхийлдэг.

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.

Тэгэхээр энэ нь физикийн цахилгаан гүйдлийн тухай цорын ганц зүйл мөн үү?

Үгүй! Соронзон гүйдэл ба шилжилтийн гүйдэл гэсэн хоёр төрөл байдаг.

Эдгээр нь мөн нэрнээс нь харахад соронзлолыг тайлбарлах зорилгоор нэвтрүүлсэн хоёр тэнцүү гүйдэл юм. Өөрөөр хэлбэл, тэд одоогийн “цэнэглэх хөдөлгөөн”-ийн үндсэн шинж чанараас салсан!

Үнэхээр гайхамшигтай юм! Цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөн байхгүй, яагаад үүнийг цахилгаан гүйдэл гэж нэрлэж болох вэ?

Санаа зоволтгүй, намайг удаанаар сонс.

Let’s look at the magnetizing current first.

Соронзон байдал нь цахилгаан гүйдлийн хөдөлгөөнөөс үүсдэг болохыг олж мэдсэн (одоогийн байдлаар соронзонгийн талаархи тайлбарыг эргэлтийн дотоод шинж чанараар тооцохгүй). Байгалийн соронзлолыг тайлбарлахын тулд Францын физикч Ампер “молекулын эргэлт” гэсэн таамаглал дэвшүүлэв.

Доорх зурагт үзүүлсэнчлэн аливаа атом эсвэл молекулыг цахилгаан цэнэг нь төвийг тойрон эргэлдэж, өчүүхэн хүрдний гүйдэл, өөрөөр хэлбэл “молекулын эргэлт” үүсгэдэг гэж үзэж болно.

Цахилгаан гүйдэл нь соронзон орныг өдөөдөг хуулийн дагуу энэхүү молекулын эргэлт нь соронзон момент хэмээх физик хэмжигдэхүүнийг бий болгоно. Түүний хэмжээ нь молекулын эргэлтээр хүрээлэгдсэн талбайг молекулын эргэлтийн эквивалент гүйдлээр үржүүлсэн бөгөөд түүний чиглэл нь эргэлтийн чиглэлтэй баруун гар талын спираль хамааралтай байна.

Мэдээжийн хэрэг, соронзон моментийн чиглэл нь эргэлтийн гүйдлийн улмаас үүссэн соронзон орны чиглэлийн яг дагуу байх болно.

.

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.

Suppose there is a cylindrical magnet, the inner molecular circulation is neatly arranged, and the sections of each molecular circulation at the edge of the magnet section are connected together to form a large circulation, as shown in the figure below.

Үүний үндсэн дээр бид бар соронз нь эрч хүчтэй соленоидтой адил гэж бодож болно. Өөрөөр хэлбэл, соронзон гадаргуу дээр орооцолдсон үл үзэгдэх гүйдэл байна! Ийм гүйдлийг холбож ашиглах боломжгүй. Энэ нь соронзон гадаргуу дээр хязгаарлагддаг. Бид үүнийг “холбох гүйдэл” эсвэл “соронзон гүйдэл” гэж нэрлэдэг.

Тиймээс соронзлох гүйдэл нь гүйдэл юм, учир нь энэ нь жинхэнэ цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөнөөс үүссэн гүйдэлтэй ижил бөгөөд соронзон орон үүсгэх боломжтой!

Нүүлгэн шилжүүлэх гүйдлийг дахин харцгаая.

According to the Ampere’s loop theorem, the integral of the magnetic field strength on a closed path is equal to the flux of the current density on any curved surface bounded by this path, that is, this theorem is called Stokes’ theorem in mathematics. It tells us that the integral of a vector along any closed path must be equal to the flux of its curl (here) to any surface bounded by the closed path.

Энэ нь математикийн теорем учраас үргэлж зөв байх ёстой, учир нь математик бол аксиом дээр суурилсан логик систем юм.

Тиймээс амперын гогцоо теорем үргэлж баримтлах ёстой!

Гэсэн хэдий ч Шотландын авъяаслаг физикч Максвелл тогтворгүй гүйдлийн хэлхээтэй тулгарах үед Амперын давталтын теорем зөрчилддөг болохыг олж мэдэв.

Ердийн тогтворгүй гүйдэл нь конденсаторыг цэнэглэх, цэнэглэх үед үүсдэг. Доорх зурагт үзүүлснээр конденсаторыг цэнэглэх богино хугацаанд тогтворгүй гүйдэл байдаг.

Гэхдээ конденсаторын ялтсуудын хооронд хэлхээ нь салгагдсан бөгөөд энэ нь ноцтой асуудал үүсгэх болно.

Доорх зурагт үзүүлсэн шиг утсыг тойрч гарах битүү зам, С-ээр тэмдэглэгдсэн тойрог, түүнтэй муруй гадаргууг хил болгон дур мэдэн сонгож болно гэж бодъё. Зураг дээр C өөрөө болон конденсаторын хөндлөн огтлолцсон дугуй хавтгайг сонгосон. Зүүн талын хавтангийн муруй гадаргуу.

According to the circular surface, it can be seen that according to the curved surface, but as a loop integral of the magnetic field strength, its value should be determined!

Хэрхэн хийх талаар?

Maxwell believes that the Ampere’s loop theorem must be established. Now that there is a problem, it must be because a part of the current has not been discovered by us before, but it does exist!

Тэгэхээр, гүйдлийн энэ хэсгийг хэрхэн олж мэдэх вэ?

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

Шинжилгээгээр Максвелл цэнэглэх, цэнэглэхээс үл хамааран конденсаторын ялтсуудын хооронд гүйдлийн хэмжээ, чиглэлтэй синхрончлогдсон физик хэмжигдэхүүн байдгийг олж мэдэв. Энэ нь цахилгаан шилжилтийн векторын урсгалын цаг хугацааны дериватив бөгөөд өөрөөр хэлбэл шилжилтийн гүйдэл гэж тодорхойлогддог.

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.

Өмнөх зөрчилдөөн рүү буцаж очиход Стоксын теоремын шаардлагын дагуу битүү гадаргуугийн гүйдлийн нягтын урсгалыг тооцоолохдоо шилжилтийн гүйдлийн нягтыг, өөрөөр хэлбэл бүрэн амперийн гогцоог харгалзан үзэх шаардлагатайг бид одоо мэдэж байна. Энэ теорем нь одоогийн энэ шинэ бүрэлдэхүүн хэсгийг “нээснээр” Амперын гогцооны теоремын хямрал шийдэгдэнэ!

The reason why “introduction” is not used here, but “discovery” is used here. What I want to emphasize is that this kind of current is not a mathematical compensation, but a real thing, but it has not been discovered before.

Яагаад энэ нь анхнаасаа байдаг вэ? Энэ нь дамжуулах гүйдэл шиг цахилгаан гүйдлийн үүрэг гүйцэтгэдэг тул цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөн байхгүй, утас шаардагдахгүй, Жоуль дулаан үүсгэх боломжгүйгээс бусад тохиолдолд соронзон орныг ижил хэмжээгээр өдөөдөг тул үүнийг үл тоомсорлосон!

Гэхдээ энэ нь үнэндээ өөрөө байдаг, зүгээр л нам гүм байгаарай, тэр үргэлж тэндхийн соронзон орныг чимээгүйхэн хөдөлгөж байсан!

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.

Одоогийн байдлаар гүйдлийн хэд хэдэн хэлбэрийг нэвтрүүлсэн. Тэд бүгд объектив байдлаар оршдог бөгөөд нийтлэг зүйл бол бүх гүйдэл нь соронзон орныг ижил хэмжээгээр өдөөдөг явдал юм.