Apakah arus elektrik? Ingat dahulu, apakah definisi arus yang telah kita pelajari?

Secara ringkasnya, pergerakan arah zarah bercas dalam konduktor ialah arus elektrik.

Hanya apabila bahan telah mengecas zarah yang boleh bergerak bebas, ia boleh menghantar arus elektrik—iaitu, mengalirkan elektrik. Zarah bercas ini yang mengambil bahagian dalam pengaliran dipanggil pembawa. Untuk logam, sebagai contoh, hanya elektron luar atom boleh bertindak sebagai pembawa.

“Pergerakan arah” dalam definisi arus elektrik sering disalah ertikan. Ramai yang beranggapan ia merujuk kepada pergerakan dengan arah tertentu, sudah tentu tidak! Tidakkah arah pergerakan elektron dalam litar AC berubah?

Malah, orienteering adalah relatif kepada “pergerakan rawak”!

Oleh kerana elektron adalah zarah mikroskopik, ia mesti berada dalam gerakan haba sepanjang masa. Pergerakan terma ialah gerakan rawak, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah.

Pergerakan ini sebenarnya sangat pantas. Sebagai contoh, dalam logam pada suhu bilik, kelajuan pergerakan haba elektronik adalah mengikut urutan ratusan kilometer sesaat!

Jika anda melihat dengan teliti pergerakan rawak ini, anda akan mendapati bahawa arah pergerakan setiap zarah adalah rawak pada bila-bila masa. Jika anda menjumlahkan vektor halaju zarah ini, hasilnya hampir sifar.

Sekarang tambahkan medan elektrik pada konduktor, dan elektron menindih pergerakan arah berdasarkan pergerakan rawak. Dengan mengandaikan bahawa medan elektrik berada di sebelah kiri untuk tempoh masa tertentu, pergerakan elektron kelihatan seperti berikut. Bola merah mewakili atom logam pada kekisi kristal, dan titik yang bergerak pantas mewakili elektron bebas.

Adakah ia kelihatan pantas? Itu kerana pergerakan elektronik sangat pantas! Tetapi sebenarnya, gerakan rawak, yang menyumbang sebahagian besar daripadanya, tidak menyumbang kepada arus. Apabila gerakan rawak dihapuskan, selebihnya adalah seperti pandangan perlahan di bawah.

Sesungguhnya, pergerakan arah elektron jauh lebih perlahan daripada kelajuan pergerakan haba. Pergerakan elektron “mengisar” ini dipanggil drift, atau “drift”. Kadangkala, elektron akan berjalan ke arah yang bertentangan kerana perlanggaran dengan atom. Tetapi secara umum, elektron bergerak dalam satu arah.

Jika medan elektrik berubah arah, arah hanyutan elektron juga akan berubah.

Oleh itu, jenis pergerakan arah ini bermakna jumlah kelajuan semua elektron yang mengambil bahagian dalam pengaliran pada masa tertentu bukanlah sifar, tetapi secara amnya dalam arah tertentu. Arah ini boleh diubah pada bila-bila masa, dan itu adalah kes arus ulang-alik.

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

Magnitud arus dalam konduktor dinyatakan oleh keamatan semasa. Keamatan arus ditakrifkan sebagai jumlah elektrik yang melalui keratan rentas konduktor dalam satu unit masa, iaitu

Kami telah mempelajari beberapa kuantiti fizikal yang mengandungi perkataan “intensiti”, seperti intensiti medan elektrik dan intensiti aruhan magnet. Ia biasanya mewakili pembahagian setiap unit masa, luas unit (atau unit isipadu, sudut pepejal unit). Walau bagaimanapun, perkataan “intensiti” dalam intensiti semasa tidak menggambarkan pembahagian semasa kawasan tersebut.

Malah, satu lagi kuantiti fizikal bertanggungjawab untuk pengagihan arus ke kawasan, iaitu ketumpatan arus.

Oleh kerana intipati arus elektrik ialah pergerakan arah cas elektrik, mesti ada hubungan tertentu antara keamatan arus dan kelajuan hanyut!

Untuk mendapatkan perhubungan ini, kita mesti terlebih dahulu menjelaskan kepekatan pembawa konsep, iaitu bilangan pembawa dalam isipadu unit, yang dinyatakan oleh .

Diandaikan bahawa keratan rentas konduktor ialah, kepekatan pembawa ialah, halaju hanyut ialah, dan cas bercas ialah.

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

Ini adalah ungkapan mikroskopik keamatan semasa.

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.

Pertimbangkan dawai kuprum, dengan mengandaikan bahawa setiap atom kuprum menyumbangkan elektron sebagai pembawa. Terdapat 1 mol kuprum, isipadunya ialah, jisim molar ialah, ketumpatan ialah, maka kepekatan pembawa wayar kuprum ialah

Di manakah pemalar Avogadro. Ketumpatan kuprum ditemui, dan nilai yang diperoleh dengan menggantikan adalah kira-kira unit/meter padu.

Dengan mengandaikan bahawa jejari wayar kuprum ialah 0.8mm, arus yang mengalir ialah 15A, =1.6 C, dan halaju hanyutan elektron dikira sebagai

Dapat dilihat bahawa kelajuan hanyutan elektron memang sangat kecil.

Bagi mereka yang mengkaji litar, di atas adalah definisi lengkap arus.

Tetapi dalam fizik, definisi semasa di atas sebenarnya hanya definisi yang sempit. Arus yang lebih umum tidak terhad kepada konduktor, selagi pergerakan cas elektrik adalah semasa. Sebagai contoh, apabila elektron atom hidrogen bergerak mengelilingi nukleus, arus elektrik terbentuk di orbitnya.

Katakan jumlah cas elektronik dan tempoh pergerakan adalah. Kemudian setiap kali berlalu, terdapat sejumlah besar cas yang melalui mana-mana keratan rentas gelung, jadi keamatan arus adalah berdasarkan hubungan antara tempoh, kekerapan dan halaju sudut, dan arus juga boleh dinyatakan sebagai

Untuk contoh lain, cakera logam bercas, berputar di sekeliling paksinya, juga membentuk arus gelung dengan jejari yang berbeza.

Arus jenis ini bukan arus pengaliran biasa dan tidak boleh menjana haba Joule! Tidak boleh membentuk litar sebenar.

Jika tidak, adakah anda memberi saya pengiraan berapa banyak haba joule yang dihasilkan sesaat oleh elektron atom hidrogen?

Malah, arus dalam vakum tidak memenuhi hukum Ohm. Kerana, untuk arus elektrik yang terbentuk oleh pergerakan zarah bercas dalam vakum, pembawa tidak berlanggar sama dengan kekisi dalam logam, jadi vakum tidak mempunyai rintangan dan tiada konduktans.

Pergerakan cas elektrik menghasilkan arus elektrik, dan cas elektrik itu sendiri merangsang medan elektrik. Ini mudah menimbulkan salah faham. Oleh itu, ramai orang berfikir bahawa medan elektrik zarah bercas yang membentuk arus elektrik mesti terdedah. Tetapi sebenarnya, untuk arus pengaliran dalam konduktor am, pembawa mengalir pada latar belakang yang terdiri daripada sejumlah besar ion logam bercas positif, dan konduktor itu sendiri adalah neutral!

Kami sering memanggil jenis arus khas ini sebagai “arus setara”. Setara di sini bermakna ia menjana medan magnet pada asas yang sama seperti arus pengaliran biasa!

Peringatan: Jangan mengelirukan “arus setara” di sini dengan “litar setara” dalam analisis litar

Sebenarnya, apabila kita mula-mula mengkaji medan magnet, arus elektrik dalam hukum Biot-Saffar adalah arus elektrik umum yang mengandungi arus setara ini. Sudah tentu, arus pengaliran dalam persamaan Maxwell juga merujuk kepada arus umum.

Mereka yang telah mengkaji kesan fotoelektrik tahu bahawa apabila fotoelektron hanyut dari katod ke anod, jika pengaruh udara diabaikan, arus ini disebabkan oleh pergerakan cas elektrik dalam vakum, dan tidak ada rintangan, jadi ia tidak dihadkan oleh hukum Ohm.

Jadi, adakah ini satu-satunya perkara tentang arus elektrik dalam fizik?

Tidak! Terdapat juga dua jenis iaitu arus magnetisasi dan arus sesaran.

Ia juga merupakan dua arus yang setara, yang, seperti namanya, juga diperkenalkan untuk menerangkan kemagnetan. Dalam erti kata lain, mereka telah memisahkan diri daripada ciri asas “pergerakan caj” semasa!

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

Don’t worry, and listen to me slowly.

Mari kita lihat arus magnetisasi dahulu.

Didapati bahawa kemagnetan disebabkan oleh pergerakan elektrik (tidak mengambil kira penjelasan kemagnetan oleh sifat intrinsik putaran buat masa ini). Untuk menjelaskan kemagnetan semula jadi, ahli fizik Perancis Ampere mengemukakan hipotesis “peredaran molekul”.

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, mana-mana atom atau molekul boleh dianggap sebagai mempunyai cas elektrik yang berputar di sekeliling pusat, membentuk arus gelung kecil, iaitu, “peredaran molekul”.

Mengikut undang-undang bahawa arus elektrik merangsang medan magnet, peredaran molekul ini akan menghasilkan kuantiti fizikal yang dipanggil momen magnet. Saiznya ialah kawasan yang dikelilingi oleh peredaran molekul didarab dengan arus setara peredaran molekul, dan arahnya adalah dalam hubungan lingkaran tangan kanan dengan arah peredaran, iaitu.

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

.

Dalam keadaan biasa, susunan peredaran molekul bahan adalah huru-hara, jadi bahan itu tidak magnet, seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri rajah di bawah. Apabila tertakluk kepada medan magnet luar, peredaran molekul ini akan tersusun lebih kurang kemas. Seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan rajah di bawah, momen magnet mereka disusun dalam satu arah sebanyak mungkin, sama seperti jarum magnet kecil yang tidak terkira banyaknya berkumpul untuk membentuk jumlah medan magnet, dan keseluruhan bahan yang terdiri daripada mereka menjadi magnet.

Katakan terdapat magnet silinder, peredaran molekul dalam disusun dengan kemas, dan bahagian setiap peredaran molekul di tepi bahagian magnet disambungkan bersama untuk membentuk peredaran yang besar, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah.

Berdasarkan ini, kita boleh berfikir bahawa magnet bar adalah seperti solenoid bertenaga. Dalam erti kata lain, terdapat arus yang tidak kelihatan terjerat pada permukaan magnet! Arus jenis ini tidak boleh disambungkan dan digunakan. Ia terhad kepada permukaan magnet. Kami memanggilnya “arus mengikat” atau “arus magnetisasi”.

Oleh itu, arus magnetisasi adalah arus, kerana ia adalah sama dengan arus yang terbentuk oleh pergerakan cas elektrik sebenar, yang boleh menjana medan magnet secara setara!

Mari kita lihat semula arus sesaran.

Menurut teorem gelung Ampere, kamiran kekuatan medan magnet pada laluan tertutup adalah sama dengan fluks ketumpatan arus pada mana-mana permukaan melengkung yang dibatasi oleh laluan ini, iaitu teorem ini dipanggil teorem Stokes dalam matematik. Ia memberitahu kita bahawa kamiran vektor di sepanjang mana-mana laluan tertutup mestilah sama dengan fluks lencongnya (di sini) ke mana-mana permukaan yang dibatasi oleh laluan tertutup.

Since it is a mathematical theorem, it must always be correct, because mathematics is a logical system based on axioms.

Oleh itu, Teorem Gelung Ampere mesti sentiasa dipegang!

However, the talented Scottish physicist Maxwell discovered that when faced with an unstable current circuit, the Ampere loop theorem was contradictory.

Arus tidak stabil biasa berlaku semasa mengecas dan menyahcas kapasitor. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, terdapat arus yang tidak stabil semasa tempoh singkat pengecasan kapasitor.

Tetapi litar terputus antara plat kapasitor, yang akan menyebabkan masalah yang serius.

Katakan kita menganggap laluan tertutup yang memintas wayar, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, bulatan bertanda C, dan permukaan melengkung dengannya sebagai sempadan boleh dipilih sewenang-wenangnya. Dalam rajah, satah bulat yang dikelilingi oleh C sendiri dan merentasi kapasitor dipilih. Permukaan melengkung plat kiri.

Mengikut permukaan bulat, dapat dilihat bahawa mengikut permukaan melengkung, tetapi sebagai integral gelung kekuatan medan magnet, nilainya harus ditentukan!

Bagaimana untuk melakukannya?

Maxwell percaya bahawa teorem gelung Ampere mesti diwujudkan. Sekarang ada masalah, ia mesti kerana sebahagian daripada arus tidak ditemui oleh kami sebelum ini, tetapi ia wujud!

Jadi, bagaimana untuk mengetahui bahagian arus ini?

Oleh kerana masalahnya adalah di antara pinggan, mulakan dari antara pinggan.

Melalui analisis, Maxwell mendapati tanpa mengira pengecasan atau nyahcas, terdapat kuantiti fizikal antara plat kapasitor pada setiap masa yang disegerakkan dengan magnitud dan arah arus. Ia adalah terbitan masa bagi fluks vektor anjakan elektrik, iaitu, ia ditakrifkan sebagai arus anjakan.

Jika dianggap bahagian ini adalah bahagian arus yang tidak ditemui sebelum ini, maka arus lengkap adalah sekarang. Maksudnya, walaupun litar antara plat diputuskan, terbitan fluks anjakan elektrik dan jumlah arus bersama-sama, secara keseluruhan , Pastikan kesinambungan arus pada setiap masa.

Kembali kepada percanggahan sebelumnya, kini kita tahu bahawa, mengikut keperluan teorem Stokes, apabila mengira fluks ketumpatan arus untuk permukaan tertutup, ketumpatan arus anjakan juga harus dipertimbangkan, iaitu gelung ampere lengkap. Oleh itu teorem ialah, Dengan “menemui” komponen semasa baharu ini, krisis Teorem Gelung Ampere diselesaikan!

Sebab mengapa “pengenalan” tidak digunakan di sini, tetapi “penemuan” digunakan di sini. Apa yang ingin saya tekankan ialah arus sebegini bukanlah pampasan matematik, tetapi perkara sebenar, tetapi ia tidak ditemui sebelum ini.

Mengapa ia wujud pada mulanya? Kerana ia bertindak sebagai arus elektrik, seperti arus pengaliran, ia merangsang medan magnet secara setara, kecuali tiada pergerakan cas elektrik, tiada wayar diperlukan, dan tiada haba Joule boleh dihasilkan, jadi ia telah diabaikan!

Tetapi ia sebenarnya wujud dengan sendirinya, hanya kekalkan profil rendah, ia telah secara senyap mengujakan medan magnet di sana sepanjang masa!

Dalam erti kata lain, apabila kita menghadapi medan magnet, definisi asal arus adalah terlalu sempit. Intipati arus elektrik bukanlah pergerakan cas elektrik, ia sepatutnya sesuatu yang boleh merangsang medan magnet.

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.