विद्युत प्रवाह काय आहे? प्रथम आठवा, आपण शिकलो आहोत वर्तमानाची व्याख्या काय आहे?

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

जेव्हा एखाद्या पदार्थामध्ये मुक्तपणे फिरू शकणारे चार्ज केलेले कण असतात तेव्हाच ते विद्युत प्रवाह प्रसारित करू शकतात-म्हणजेच, विद्युत प्रवाह. हे चार्ज केलेले कण जे वहन मध्ये भाग घेतात त्यांना वाहक म्हणतात. धातूसाठी, उदाहरणार्थ, अणूंचे केवळ बाह्य इलेक्ट्रॉन वाहक म्हणून कार्य करू शकतात.

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?

खरं तर, ओरिएंटियरिंग हे “यादृच्छिक हालचाली” च्या सापेक्ष आहे!

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.

ही चळवळ प्रत्यक्षात खूप वेगवान आहे. उदाहरणार्थ, खोलीच्या तपमानावर धातूंमध्ये, इलेक्ट्रॉनिक थर्मल हालचालीचा वेग शेकडो किलोमीटर प्रति सेकंद या क्रमाने असतो!

If you look closely at this random movement, you will find that the direction of movement of each particle is random at any moment. If you add up the velocity vectors of these particles, the result is almost zero.

आता कंडक्टरमध्ये इलेक्ट्रिक फील्ड जोडा आणि इलेक्ट्रॉन यादृच्छिक हालचालींच्या आधारावर दिशात्मक हालचालींवर नियंत्रण ठेवतो. ठराविक काळासाठी विद्युत क्षेत्र डावीकडे आहे असे गृहीत धरल्यास, इलेक्ट्रॉनची हालचाल खालीलप्रमाणे दिसते. लाल गोळे क्रिस्टल जाळीवरील धातूच्या अणूंचे प्रतिनिधित्व करतात आणि वेगाने फिरणारे ठिपके मुक्त इलेक्ट्रॉनचे प्रतिनिधित्व करतात.

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.

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.

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

म्हणून, या प्रकारच्या दिशात्मक हालचालीचा अर्थ असा होतो की एका विशिष्ट वेळी वहनमध्ये भाग घेणार्‍या सर्व इलेक्ट्रॉनच्या गतीची बेरीज शून्य नसते, परंतु सामान्यतः एका विशिष्ट दिशेने असते. ही दिशा केव्हाही बदलली जाऊ शकते आणि तीच पर्यायी प्रवाहाची स्थिती आहे.

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

कंडक्टरमधील विद्युत् प्रवाहाची तीव्रता वर्तमान तीव्रतेद्वारे व्यक्त केली जाते. वर्तमान तीव्रतेची व्याख्या एका युनिट वेळेत कंडक्टरच्या क्रॉस-सेक्शनमधून जाणाऱ्या विजेचे प्रमाण म्हणून केली जाते, म्हणजे

आम्ही “तीव्रता” शब्द असलेल्या काही भौतिक प्रमाणे शिकलो आहोत, जसे की विद्युत क्षेत्राची तीव्रता आणि चुंबकीय प्रेरण तीव्रता. ते सामान्यत: प्रति युनिट वेळ, एकक क्षेत्र (किंवा एकक खंड, एकक घन कोन) विभाजनाचे प्रतिनिधित्व करतात. तथापि, सध्याच्या तीव्रतेतील “तीव्रता” हा शब्द क्षेत्राचे सध्याचे विभाजन दर्शवत नाही.

खरं तर, आणखी एक भौतिक प्रमाण विद्युत प्रवाहाच्या क्षेत्रफळाच्या वितरणासाठी जबाबदार आहे, जी वर्तमान घनता आहे.

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 .

असे गृहीत धरले जाते की कंडक्टर क्रॉस सेक्शन आहे, वाहक एकाग्रता आहे, प्रवाह वेग आहे आणि चार्ज केलेले चार्ज आहे.

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

ही वर्तमान तीव्रतेची सूक्ष्म अभिव्यक्ती आहे.

वर्तमान घनता म्हणजे प्रवाहाचे क्षेत्रफळाचे विभाजन, म्हणून वर्तमान घनतेचे परिमाण आहे, परंतु ते वेक्टर म्हणून परिभाषित केले जाते आणि दिशा ही सकारात्मक चार्ज केलेल्या वाहकांच्या ड्रिफ्ट वेग वेक्टरची दिशा असते, त्यामुळे इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह खाली उदाहरण म्हणून, या गतीवरून धातू मिळू शकते.

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

Avogadro’s constant कुठे आहे. तांब्याची घनता आढळते, आणि प्रतिस्थापना करून मिळणारे मूल्य सुमारे एकक/क्युबिक मीटर आहे.

तांब्याच्या तारेची त्रिज्या 0.8 मिमी आहे असे गृहीत धरून, प्रवाहाचा प्रवाह 15A, = 1.6 C आहे आणि इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह वेग याप्रमाणे मोजला जातो.

हे पाहिले जाऊ शकते की इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह वेग खरोखर खूप लहान आहे.

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

परंतु भौतिकशास्त्रात, प्रवाहाची वरील व्याख्या प्रत्यक्षात फक्त एक संकुचित व्याख्या आहे. जोपर्यंत विद्युत शुल्काची हालचाल चालू आहे तोपर्यंत अधिक सामान्य प्रवाह कंडक्टरपुरते मर्यादित नाहीत. उदाहरणार्थ, जेव्हा हायड्रोजन अणूचे इलेक्ट्रॉन न्यूक्लियसभोवती फिरतात तेव्हा त्याच्या कक्षेत विद्युत प्रवाह तयार होतो.

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

दुसर्‍या उदाहरणासाठी, चार्ज केलेली मेटल डिस्क, तिच्या अक्षाभोवती फिरणारी, वेगवेगळ्या त्रिज्यांसह लूप करंट देखील बनवते.

या प्रकारचा विद्युत प्रवाह हा सामान्य वहन प्रवाह नसतो आणि जौल उष्णता निर्माण करू शकत नाही! वास्तविक सर्किट तयार करू शकत नाही.

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

खरं तर, व्हॅक्यूममधील विद्युत् प्रवाह ओहमच्या नियमाचे पालन करत नाही. कारण, व्हॅक्यूममध्ये चार्ज केलेल्या कणांच्या हालचालीमुळे तयार होणाऱ्या विद्युत प्रवाहासाठी, वाहक धातूच्या जाळीप्रमाणे आदळले जात नाहीत, त्यामुळे व्हॅक्यूमला प्रतिकार नसतो आणि चालकता नसते.

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!

आम्ही या प्रकारच्या विशेष प्रवाहाला “समतुल्य प्रवाह” म्हणतो. येथे समतुल्य म्हणजे सामान्य वहन प्रवाहाप्रमाणेच ते चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करते!

Reminder: Do not confuse the “equivalent current” here with the “equivalent circuit” in circuit analysis

खरेतर, जेव्हा आम्ही चुंबकीय क्षेत्राचा प्रथम अभ्यास केला, तेव्हा बायोट-सफरच्या नियमातील विद्युत प्रवाह हा सामान्यीकृत विद्युत प्रवाह होता ज्यामध्ये हा समतुल्य प्रवाह होता. अर्थात, मॅक्सवेलच्या समीकरणांमधील वहन प्रवाह देखील सामान्यीकृत प्रवाहाचा संदर्भ देते.

ज्यांनी फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचा अभ्यास केला आहे त्यांना हे माहीत आहे की जेव्हा फोटोइलेक्ट्रॉन कॅथोडपासून अॅनोडकडे वाहतो तेव्हा हवेच्या प्रभावाकडे दुर्लक्ष केल्यास, व्हॅक्यूममधील विद्युत शुल्काच्या हालचालीमुळे हा प्रवाह निर्माण होतो आणि त्याला कोणताही प्रतिकार नसतो. ओमच्या कायद्याने प्रतिबंधित नाही.

तर, भौतिकशास्त्रातील विद्युत प्रवाहाची ही एकमेव गोष्ट आहे का?

नाही! चुंबकीय प्रवाह आणि विस्थापन प्रवाह असे दोन प्रकार देखील आहेत.

ते दोन समतुल्य प्रवाह देखील आहेत, जे नावाप्रमाणेच, चुंबकत्व स्पष्ट करण्यासाठी देखील ओळखले जातात. दुसऱ्या शब्दांत, ते सध्याच्या “चार्ज चळवळ” च्या मूलभूत वैशिष्ट्यापासून दूर गेले आहेत!

That’s amazing! There is no electric charge movement, so why can it be called an electric current?

काळजी करू नकोस आणि हळूच ऐक.

प्रथम चुंबकीय प्रवाह पाहू.

असे आढळून आले की चुंबकत्व विजेच्या हालचालीमुळे होते (सध्या स्पिनच्या अंतर्गत गुणधर्मांद्वारे चुंबकत्वाचे स्पष्टीकरण विचारात घेतले नाही). नैसर्गिक चुंबकत्वाचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी, फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ अॅम्पेरे यांनी “आण्विक अभिसरण” ची परिकल्पना मांडली.

As shown in the figure below, any atom or molecule can be regarded as having an electric charge rotating around the center, forming a tiny loop current, that is, “molecular circulation”.

विद्युत प्रवाह चुंबकीय क्षेत्राला उत्तेजित करते या कायद्यानुसार, हे आण्विक परिसंचरण चुंबकीय क्षण नावाचे भौतिक प्रमाण तयार करेल. त्याचा आकार आण्विक अभिसरणाच्या समतुल्य प्रवाहाने गुणाकार केलेल्या आण्विक अभिसरणाने बंद केलेले क्षेत्र आहे आणि त्याची दिशा अभिसरणाच्या दिशेशी उजव्या हाताच्या सर्पिल संबंधात आहे, म्हणजे

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

.

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.

समजा एक दंडगोलाकार चुंबक आहे, तर आतील आण्विक अभिसरण सुबकपणे मांडले आहे, आणि चुंबकाच्या विभागाच्या काठावर असलेल्या प्रत्येक आण्विक अभिसरणाचे विभाग एकत्र जोडलेले आहेत आणि खाली दिलेल्या आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे एक मोठे अभिसरण तयार करतात.

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”.

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!

चला विस्थापन प्रवाह पुन्हा पाहू.

अँपिअरच्या लूप प्रमेयानुसार, बंद मार्गावरील चुंबकीय क्षेत्राच्या सामर्थ्याचा अविभाज्य भाग या मार्गाने बांधलेल्या कोणत्याही वक्र पृष्ठभागावरील वर्तमान घनतेच्या प्रवाहाच्या समान असतो, म्हणजेच या प्रमेयाला गणितात स्टोक्सचे प्रमेय म्हणतात. हे आम्हाला सांगते की कोणत्याही बंद मार्गावरील सदिशाचा अविभाज्य भाग त्याच्या कर्लच्या प्रवाहाच्या (येथे) बंद मार्गाने बांधलेल्या कोणत्याही पृष्ठभागाच्या समान असणे आवश्यक आहे.

हे गणितीय प्रमेय असल्याने, ते नेहमी बरोबर असले पाहिजे, कारण गणित ही स्वयंसिद्धांवर आधारित तार्किक प्रणाली आहे.

म्हणून, अँपिअर लूप प्रमेय नेहमी धारण करणे आवश्यक आहे!

तथापि, प्रतिभावान स्कॉटिश भौतिकशास्त्रज्ञ मॅक्सवेलने शोधून काढले की जेव्हा अस्थिर विद्युत् सर्किटचा सामना केला जातो तेव्हा अँपिअर लूप प्रमेय विरोधाभासी होता.

कॅपेसिटरच्या चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान सामान्य अस्थिर प्रवाह उद्भवते. खालील आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, कॅपेसिटर चार्जिंगच्या अल्प कालावधीत एक अस्थिर प्रवाह आहे.

परंतु कॅपेसिटर प्लेट्स दरम्यान सर्किट डिस्कनेक्ट झाला आहे, ज्यामुळे एक गंभीर समस्या निर्माण होईल.

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.

वर्तुळाकार पृष्ठभागानुसार, हे पाहिले जाऊ शकते की वक्र पृष्ठभागानुसार, परंतु चुंबकीय क्षेत्राच्या ताकदीचा लूप अविभाज्य म्हणून, त्याचे मूल्य निश्चित केले पाहिजे!

कसे करायचे?

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!

तर, वर्तमानाचा हा भाग कसा शोधायचा?

समस्या प्लेट्सच्या दरम्यान असल्याने, प्लेट्समधून सुरुवात करा.

विश्लेषणाद्वारे, मॅक्सवेलला असे आढळले की चार्जिंग किंवा डिस्चार्जिंगची पर्वा न करता, कॅपेसिटर प्लेट्समध्ये नेहमीच एक भौतिक प्रमाण असते जे विद्युत् प्रवाहाच्या परिमाण आणि दिशा यांच्याशी समक्रमित केले जाते. हे विद्युत विस्थापन वेक्टरच्या प्रवाहाचे व्युत्पन्न वेळ आहे, म्हणजेच ते विस्थापन प्रवाह म्हणून परिभाषित केले जाते.

जर असे मानले जाते की हा भाग विद्युत प्रवाहाचा भाग आहे जो आधी शोधला गेला नाही, तर आता पूर्ण प्रवाह आहे. असे म्हणायचे आहे की, प्लेट्समधील सर्किट डिस्कनेक्ट केलेले असले तरी, विद्युत विस्थापन फ्लक्सचे व्युत्पन्न आणि एकंदरीत विद्युत् प्रवाहाची बेरीज, प्रत्येक वेळी विद्युत् प्रवाहाची सातत्य सुनिश्चित करा.

मागील विरोधाभासाकडे परत जाताना, आता आपल्याला माहित आहे की, स्टोक्सच्या प्रमेयाच्या आवश्यकतेनुसार, बंद पृष्ठभागासाठी प्रवाहाच्या घनतेच्या प्रवाहाची गणना करताना, विस्थापन प्रवाहाची घनता देखील विचारात घेतली पाहिजे, म्हणजेच संपूर्ण अँपिअर लूप. त्यामुळे प्रमेय आहे, या नवीन वर्तमान घटकाचा “शोध” करून, अँपिअर लूप प्रमेयचे संकट दूर झाले आहे!

इथे “परिचय” का वापरला नाही याचे कारण इथे “शोध” वापरले आहे. मी यावर जोर देऊ इच्छितो की या प्रकारची करंट ही गणितीय भरपाई नसून एक वास्तविक गोष्ट आहे, परंतु ती यापूर्वी शोधली गेली नव्हती.

ते प्रथम स्थानावर का अस्तित्वात आहे? कारण ते विद्युत प्रवाहासारखे कार्य करते, प्रवाहकीय प्रवाहाप्रमाणे, ते चुंबकीय क्षेत्राला समतुल्यपणे उत्तेजित करते, त्याशिवाय विद्युत शुल्काची कोणतीही हालचाल नसते, वायरची आवश्यकता नसते आणि ज्यूल उष्णता निर्माण करता येत नाही, म्हणून त्याकडे दुर्लक्ष केले गेले आहे!

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

दुसऱ्या शब्दांत, जेव्हा आपल्याला चुंबकीय क्षेत्राचा सामना करावा लागतो तेव्हा विद्युत् प्रवाहाची मूळ व्याख्या खूपच संकुचित असते. विद्युत प्रवाहाचे सार म्हणजे विद्युत चार्जची हालचाल नाही, ती चुंबकीय क्षेत्राला उत्तेजित करू शकणारे काहीतरी असावे.

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.