Hva er den elektriske strømmen? Først husker vi, hva er definisjonen på strøm vi har lært?

Ganske enkelt er retningsbevegelsen til ladede partikler i en leder en elektrisk strøm.

Bare når et stoff har ladede partikler som kan bevege seg fritt, kan det overføre elektrisk strøm – det vil si lede elektrisitet. Disse ladede partiklene som deltar i ledning kalles bærere. For metaller kan for eksempel bare de ytre elektronene til atomer fungere som bærere.

“Retningsbevegelsen” i definisjonen av elektrisk strøm blir ofte misforstått. Mange tror det refererer til bevegelse med en bestemt retning, selvfølgelig ikke! Endrer ikke bevegelsesretningen til elektronene i AC-kretsen?

Faktisk er orientering i forhold til “tilfeldig bevegelse”!

Siden elektroner er mikroskopiske partikler, må de være i termisk bevegelse hele tiden. Termisk bevegelse er en tilfeldig bevegelse, som vist i figuren nedenfor.

Denne bevegelsen er faktisk veldig rask. For eksempel, i metaller ved romtemperatur, er hastigheten på elektronisk termisk bevegelse i størrelsesorden hundrevis av kilometer per sekund!

Hvis du ser nøye på denne tilfeldige bevegelsen, vil du finne at bevegelsesretningen til hver partikkel er tilfeldig til enhver tid. Hvis du legger sammen hastighetsvektorene til disse partiklene, er resultatet nesten null.

Legg nå til et elektrisk felt til lederen, og elektronet overlapper en retningsbevegelse på grunnlag av tilfeldig bevegelse. Forutsatt at det elektriske feltet er til venstre i en viss tidsperiode, ser elektronenes bevegelse ut som følger. De røde kulene representerer metallatomer på krystallgitteret, og de raskt bevegelige prikkene representerer frie elektroner.

Ser det raskt ut? Det er fordi elektronisk bevegelse er veldig rask! Men faktisk bidrar ikke den tilfeldige bevegelsen, som utgjør en stor del av den, til strømmen. Når den tilfeldige bevegelsen er eliminert, er resten akkurat som det langsomme utseendet nedenfor.

Faktisk er retningsbevegelsen til elektroner mye langsommere enn hastigheten på termisk bevegelse. Denne “malende” bevegelsen av elektroner kalles drift, eller “drift”. Noen ganger vil elektroner løpe i motsatt retning på grunn av kollisjoner med atomer. Men generelt beveger elektroner seg i én retning.

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

Derfor betyr denne typen retningsbevegelser at summen av hastighetene til alle elektronene som deltar i ledningen på et bestemt tidspunkt ikke er null, men er generelt i en bestemt retning. Denne retningen kan endres når som helst, og det er tilfellet med vekselstrøm.

Derfor er strøm ikke så mye “retningsbevegelsen” av elektrisk ladning som den er den “kollektive bevegelsen” av elektrisk ladning.

Størrelsen på strømmen i lederen uttrykkes ved strømintensiteten. Strømintensiteten er definert som mengden elektrisitet som passerer gjennom tverrsnittet av lederen i en tidsenhet, nemlig

Vi har lært noen fysiske størrelser som inneholder ordet “intensitet”, for eksempel elektrisk feltintensitet og magnetisk induksjonsintensitet. De representerer vanligvis fordelingen per tidsenhet, arealenhet (eller enhetsvolum, enhetshelvinkel). Ordet «intensitet» i gjeldende intensitet gjenspeiler imidlertid ikke dagens fordeling av arealet.

Faktisk er en annen fysisk størrelse ansvarlig for fordelingen av strøm til området, som er strømtetthet.

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 .

It is assumed that the conductor cross section is, the carrier concentration is, the drift velocity is, and the charged charge is.

Da er ladningen i lederen på venstre side av overflaten, og disse ladningene vil passere gjennom overflaten innen en viss tidsperiode, så

Dette er et mikroskopisk uttrykk for strømintensitet.

Strømtetthet er fordelingen av strøm til område, så størrelsen på strømtettheten er, men den er definert som en vektor, og retningen er retningen til avdriftshastighetsvektoren til de positivt ladede bærerne, så driften av elektroner i metall kan fås fra denne hastigheten, som et eksempel nedenfor.

Tenk på en kobbertråd, forutsatt at hvert kobberatom bidrar med et elektron som en bærer. Det er 1 mol kobber, volumet er, molar masse er, tetthet er, så er bærerkonsentrasjonen til kobbertråden

Hvor er Avogadros konstant. Tettheten av kobber er funnet, og verdien oppnådd ved å substituere er ca enhet/kubikkmeter.

Forutsatt at radiusen til kobbertråden er 0.8 mm, er strømmen 15A, =1.6 C, og drifthastigheten til elektroner beregnes som

It can be seen that the drift speed of electrons is indeed very small.

For de som studerer kretsløp er ovenstående den komplette definisjonen av strøm.

Men i fysikk er definisjonen ovenfor av strøm faktisk bare en snever definisjon. Mer generelle strømmer er ikke begrenset til ledere, så lenge bevegelsen av elektriske ladninger er strøm. For eksempel, når elektronene til et hydrogenatom beveger seg rundt kjernen, dannes det en elektrisk strøm i dens bane.

Anta at mengden elektronisk ladning er og bevegelsesperioden er. Så hver gang det går, er det en så stor mengde ladning som passerer gjennom et hvilket som helst tverrsnitt av sløyfen, så strømintensiteten er basert på forholdet mellom periode, frekvens og vinkelhastighet, og strømmen kan også uttrykkes som

For et annet eksempel, en ladet metallskive, som roterer rundt sin akse, danner også sløyfestrømmer med forskjellige radier.

This kind of current is not a normal conduction current and cannot generate Joule heat! Can not form a real circuit.

Ellers, vil du gi meg en beregning på hvor mye joule-varme som genereres per sekund av elektronene i hydrogenatomet?

Faktisk tilfredsstiller ikke strømmen i vakuum Ohms lov. Fordi, for den elektriske strømmen som dannes av bevegelsen av ladede partikler i vakuumet, kolliderer ikke bærerne på samme måte som gitteret i metallet, så vakuumet har ingen motstand og ingen konduktans.

Bevegelsen av elektriske ladninger genererer elektrisk strøm, og den elektriske ladningen i seg selv begeistrer det elektriske feltet. Dette er lett å forårsake en misforståelse. Mange tenker derfor at det elektriske feltet til de ladede partiklene som danner den elektriske strømmen må eksponeres. Men faktisk, for ledningsstrømmen i en generell leder, flyter bærere på en bakgrunn som består av et stort antall positivt ladede metallioner, og selve lederen er nøytral!

Vi kaller ofte denne typen spesialstrøm for en “ekvivalent strøm”. Ekvivalenten her betyr at den genererer et magnetfelt på samme grunnlag som en vanlig ledningsstrøm!

Påminnelse: Ikke forveksle “ekvivalent strøm” her med “ekvivalent krets” i kretsanalyse

Faktisk, da vi først studerte magnetfeltet, var den elektriske strømmen i Biot-Saffars lov den generaliserte elektriske strømmen som inneholdt denne ekvivalente strømmen. Selvfølgelig refererer ledningsstrømmen i Maxwells ligninger også til den generaliserte strømmen.

De som har studert den fotoelektriske effekten vet at når fotoelektronet driver fra katoden til anoden, hvis påvirkningen av luft ignoreres, er denne strømmen forårsaket av bevegelsen av elektriske ladninger i vakuumet, og det er ingen motstand, så det er ikke begrenset av Ohms lov.

Så, er dette det eneste med elektrisk strøm i fysikk?

Nei! Det finnes også to typer, nemlig magnetiseringsstrøm og forskyvningsstrøm.

De er også to ekvivalente strømmer, som, som navnet antyder, også introduseres for å forklare magnetisme. De har med andre ord brutt bort fra den grunnleggende egenskapen til den nåværende «ladningsbevegelsen»!

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

Ikke bekymre deg, og hør sakte på meg.

La oss først se på magnetiseringsstrømmen.

Det ble funnet at magnetisme er forårsaket av bevegelse av elektrisitet (foreløpig ikke tatt i betraktning forklaringen av magnetisme med spinnets iboende egenskaper). For å forklare naturlig magnetisme fremsatte den franske fysikeren Ampere hypotesen om “molekylær sirkulasjon”.

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”.

I henhold til loven om at den elektriske strømmen eksiterer magnetfeltet, vil denne molekylære sirkulasjonen produsere en fysisk størrelse som kalles magnetisk moment. Dens størrelse er området som er omsluttet av molekylsirkulasjonen multiplisert med den ekvivalente strømmen til molekylsirkulasjonen, og retningen er i et høyrehendt spiralforhold med sirkulasjonsretningen, nemlig

Det er klart at retningen til det magnetiske momentet er nøyaktig langs retningen til magnetfeltet som dannes av den sirkulerende strømmen

.

Under normale omstendigheter er arrangementet av den molekylære sirkulasjonen til et stoff kaotisk, så stoffet er ikke magnetisk, som vist på venstre side av figuren nedenfor. Når de utsettes for et eksternt magnetfelt, vil disse molekylære sirkulasjonene være tilnærmet pent arrangert. Som vist på høyre side av figuren nedenfor, er deres magnetiske momenter arrangert i én retning så mye som mulig, akkurat som utallige små magnetiske nåler samlet for å danne et totalt magnetfelt, og hele materialet som består av dem blir magnetisk.

Anta at det er en sylindrisk magnet, den indre molekylsirkulasjonen er pent arrangert, og seksjonene av hver molekylsirkulasjon ved kanten av magnetseksjonen er koblet sammen for å danne en stor sirkulasjon, som vist i figuren nedenfor.

Basert på dette kan vi tenke at en stangmagnet er som en magnetisert solenoid. Det er med andre ord en usynlig strøm viklet inn på overflaten av magneten! Denne typen strøm kan ikke kobles til og brukes. Den er begrenset til overflaten av magneten. Vi kaller det “bindende strøm” eller “magnetiseringsstrøm”.

Derfor er magnetiseringsstrømmen en strøm, fordi den er den samme som strømmen som dannes av bevegelsen av ekte elektriske ladninger, som tilsvarende kan generere et magnetfelt!

La oss se på forskyvningsstrømmen igjen.

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.

Siden det er et matematisk teorem, må det alltid være riktig, fordi matematikk er et logisk system basert på aksiomer.

Derfor må Ampere Loop Theorem alltid holde!

Imidlertid oppdaget den talentfulle skotske fysikeren Maxwell at når han ble møtt med en ustabil strømkrets, var Ampere loop-teoremet selvmotsigende.

Den typiske ustabile strømmen oppstår under lading og utlading av kondensatoren. Som vist i figuren nedenfor er det en ustabil strøm under den korte perioden med kondensatorlading.

Men kretsen er frakoblet mellom kondensatorplatene, noe som vil forårsake et alvorlig problem.

Anta at vi vurderer en lukket bane som omgår ledningen, som vist i figuren nedenfor, sirkelen markert med C, og den buede overflaten med den som grense kan velges vilkårlig. På figuren er det sirkulære planet omsluttet av C selv og over kondensatoren valgt. Den buede overflaten til venstre plate.

I henhold til den sirkulære overflaten kan det sees at i henhold til den buede overflaten, men som en sløyfeintegral av magnetfeltstyrken, bør verdien bestemmes!

Hvordan gjøre?

Maxwell mener at Amperes loop-teorem må etableres. Nå som det er et problem, må det være fordi en del av strømmen ikke har blitt oppdaget av oss før, men den finnes!

Så, hvordan finne ut denne delen av strømmen?

Siden problemet er mellom platene, start fra mellom platene.

Gjennom analyse fant Maxwell at uavhengig av lading eller utlading, er det en fysisk størrelse mellom kondensatorplatene til enhver tid som er synkronisert med størrelsen og retningen til strømmen. Det er den tidsderiverte av fluksen til den elektriske forskyvningsvektoren, det vil si at den er definert som forskyvningsstrømmen.

Hvis det anses at denne delen er den delen av strømmen som ikke har blitt oppdaget før, så er hele strømmen nå. Det vil si, selv om kretsen mellom platene er frakoblet, sørger den deriverte for den elektriske forskyvningsfluksen og summen av strømmen sammen, som en helhet , Sikre kontinuiteten til strømmen til enhver tid.

Når vi går tilbake til den forrige motsigelsen, vet vi nå at i henhold til kravene til Stokes’ teorem, når man beregner fluksen av strømtetthet for en lukket overflate, bør tettheten til forskyvningsstrømmen også vurderes, det vil si hele amperesløyfen Teoremet er derfor: Ved å “oppdage” denne nye nåværende komponenten, er krisen til Ampere Loop Theorem løst!

Grunnen til at “introduksjon” ikke brukes her, men “oppdagelse” brukes her. Det jeg vil understreke er at denne typen strøm ikke er en matematisk kompensasjon, men en reell ting, men den har ikke blitt oppdaget før.

Hvorfor eksisterer det i utgangspunktet? Fordi den fungerer som en elektrisk strøm, som en ledningsstrøm, eksiterer den et magnetisk felt tilsvarende, bortsett fra at det ikke er noen bevegelse av elektriske ladninger, ingen ledning er nødvendig, og ingen Joule-varme kan genereres, så den har blitt ignorert!

Men det eksisterer faktisk av seg selv, bare hold lav profil, det har i det stille vært spennende magnetfeltet der hele tiden!

Med andre ord, når vi står overfor et magnetfelt, er den opprinnelige definisjonen av strøm for snever. Essensen av elektrisk strøm er ikke bevegelsen av elektrisk ladning, det skal være noe som kan opphisse et magnetfelt.

Så langt har de flere strømformene blitt introdusert. De eksisterer alle objektivt, og felles for dem er at alle strømmer kan eksitere magnetfeltet like mye.