Jaki jest prąd elektryczny? Po pierwsze, jaka jest definicja prądu, którego się nauczyliśmy?

Po prostu, kierunkowy ruch naładowanych cząstek w przewodniku to prąd elektryczny.

Tylko wtedy, gdy substancja ma naładowane cząstki, które mogą się swobodnie poruszać, może przekazywać prąd elektryczny, czyli przewodzić prąd. Te naładowane cząstki, które uczestniczą w przewodzeniu, nazywane są nośnikami. Na przykład w przypadku metali tylko zewnętrzne elektrony atomów mogą działać jako nośniki.

„Ruch kierunkowy” w definicji prądu elektrycznego jest często błędnie rozumiany. Wiele osób myśli, że odnosi się to do ruchu w określonym kierunku, oczywiście nie! Czy nie zmienia się kierunek ruchu elektronów w obwodzie prądu przemiennego?

W rzeczywistości bieg na orientację jest powiązany z „losowym ruchem”!

Ponieważ elektrony są mikroskopijnymi cząstkami, muszą cały czas znajdować się w ruchu termicznym. Ruch termiczny jest ruchem losowym, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ten ruch jest w rzeczywistości bardzo szybki. Na przykład w metalach w temperaturze pokojowej prędkość elektronicznego ruchu termicznego jest rzędu setek kilometrów na sekundę!

Jeśli przyjrzysz się uważnie temu przypadkowemu ruchowi, odkryjesz, że kierunek ruchu każdej cząstki jest przypadkowy w dowolnym momencie. Jeśli zsumujesz wektory prędkości tych cząstek, wynik jest prawie zerowy.

Teraz dodaj pole elektryczne do przewodnika, a elektron nałoży ruch kierunkowy na podstawie ruchu losowego. Zakładając, że przez pewien czas pole elektryczne jest w lewo, ruch elektronów wygląda następująco. Czerwone kulki reprezentują atomy metalu na sieci krystalicznej, a szybko poruszające się kropki reprezentują wolne elektrony.

Czy to wygląda szybko? To dlatego, że ruch elektroniczny jest naprawdę szybki! Ale w rzeczywistości ruch losowy, który stanowi jego dużą część, nie wpływa na prąd. Kiedy ruch losowy zostanie wyeliminowany, reszta wygląda tak, jak w zwolnionym spojrzeniu poniżej.

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.

Jeśli pole elektryczne zmieni kierunek, zmieni się również kierunek dryfu elektronów.

Dlatego ten rodzaj ruchu kierunkowego oznacza, że ​​suma prędkości wszystkich elektronów biorących udział w przewodzeniu w określonym czasie nie jest równa zeru, ale generalnie jest w określonym kierunku. Kierunek ten można zmienić w każdej chwili, tak jest w przypadku prądu przemiennego.

Dlatego prąd jest nie tyle „kierunkowym ruchem” ładunku elektrycznego, ile „zbiorowym ruchem” ładunku elektrycznego.

Wielkość prądu w przewodniku jest wyrażona przez natężenie prądu. Natężenie prądu definiuje się jako ilość energii elektrycznej przechodzącej przez przekrój przewodu w jednostce czasu, a mianowicie

Poznaliśmy pewne wielkości fizyczne zawierające słowo „intensywność”, takie jak natężenie pola elektrycznego i natężenie indukcji magnetycznej. Generalnie reprezentują one podział na jednostkę czasu, jednostkę powierzchni (lub jednostkę objętości, jednostkę kąta przestrzennego). Jednak słowo „intensywność” w aktualnym natężeniu nie odzwierciedla aktualnego podziału obszaru.

W rzeczywistości za dystrybucję prądu na powierzchnię odpowiada inna wielkość fizyczna, którą jest gęstość prądu.

Ponieważ istotą prądu elektrycznego jest kierunkowy ruch ładunku elektrycznego, musi istnieć pewien związek między natężeniem prądu a prędkością dryfu!

Aby uzyskać tę zależność, musimy najpierw wyjaśnić koncentrację pojęciowo-nośnikową, czyli liczbę nośników w jednostce objętości, która jest wyrażona przez .

Zakłada się, że przekrój przewodu wynosi, stężenie nośnika, prędkość dryfu i naładowany ładunek.

Wtedy ładunek w przewodniku po lewej stronie powierzchni jest i te ładunki przejdą przez powierzchnię w określonym czasie, więc

To mikroskopijna ekspresja natężenia prądu.

Gęstość prądu to podział prądu na powierzchnię, czyli wartość gęstości prądu, ale jest ona zdefiniowana jako wektor, a kierunek jest kierunkiem wektora prędkości dryfu dodatnio naładowanych nośników, czyli dryft elektronów w metal można uzyskać z tej prędkości, jako przykład poniżej.

Rozważmy drut miedziany, zakładając, że każdy atom miedzi dostarcza elektronu jako nośnika. Jest 1 mol miedzi, jego objętość to masa molowa, gęstość to, a następnie stężenie nośnika drutu miedzianego jest

Gdzie jest stała Avogadro. Znaleziona została gęstość miedzi, a wartość uzyskana przez podstawienie wynosi około jednostki/metr sześcienny.

Zakładając, że promień drutu miedzianego wynosi 0.8 mm, płynący prąd wynosi 15 A, =1.6 C, a prędkość dryfu elektronów oblicza się jako

Widać, że prędkość dryfu elektronów jest rzeczywiście bardzo mała.

Dla tych, którzy badają obwody, powyższe jest pełną definicją prądu.

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.

Załóżmy, że wynosi kwota opłaty elektronicznej i okres ruchu. Wtedy za każdym razem, gdy upływa, przez dowolny przekrój pętli przechodzi tak duża ilość ładunku, że natężenie prądu opiera się na zależności między okresem, częstotliwością i prędkością kątową, a prąd można również wyrazić jako

Na przykład naładowany metalowy dysk obracający się wokół własnej osi również tworzy prądy pętli o różnych promieniach.

Ten rodzaj prądu nie jest normalnym prądem przewodzenia i nie może generować ciepła Joule’a! Nie może stworzyć prawdziwego obwodu.

W przeciwnym razie, czy mógłbyś mi obliczyć, ile ciepła dżulowego jest generowane na sekundę przez elektrony atomu wodoru?

W rzeczywistości prąd w próżni nie spełnia prawa Ohma. Ponieważ dla prądu elektrycznego wytwarzanego przez ruch naładowanych cząstek w próżni nośniki nie zderzają się podobnie jak siatka w metalu, więc próżnia nie ma oporu ani przewodnictwa.

Ruch ładunków elektrycznych generuje prąd elektryczny, a sam ładunek elektryczny wzbudza pole elektryczne. Łatwo o nieporozumienie. Dlatego wiele osób uważa, że ​​należy odsłonić pole elektryczne naładowanych cząstek, które tworzą prąd elektryczny. Ale w rzeczywistości dla prądu przewodzenia w ogólnym przewodniku nośniki płyną na tle złożonym z dużej liczby dodatnio naładowanych jonów metali, a sam przewodnik jest obojętny!

Ten rodzaj prądu specjalnego często nazywamy „prądem równoważnym”. Odpowiednik oznacza tutaj, że generuje pole magnetyczne na tej samej podstawie, co zwykły prąd przewodzący!

Przypomnienie: Nie myl tutaj „prądu równoważnego” z „obwodem równoważnym” w analizie obwodu

W rzeczywistości, kiedy po raz pierwszy badaliśmy pole magnetyczne, prąd elektryczny w prawie Biota-Saffara był uogólnionym prądem elektrycznym, który zawierał ten równoważny prąd. Oczywiście prąd przewodzenia w równaniach Maxwella odnosi się również do prądu uogólnionego.

Ci, którzy badali efekt fotoelektryczny wiedzą, że kiedy fotoelektron dryfuje od katody do anody, jeśli zignoruje się wpływ powietrza, prąd ten jest spowodowany ruchem ładunków elektrycznych w próżni i nie ma oporu, więc nie jest ograniczone przez prawo Ohma.

Czy to jedyna rzecz dotycząca prądu elektrycznego w fizyce?

Nie! Istnieją również dwa rodzaje, a mianowicie prąd magnesujący i prąd przesunięcia.

Są to również dwa równoważne prądy, które, jak sama nazwa wskazuje, są również wprowadzane w celu wyjaśnienia magnetyzmu. Innymi słowy, zerwali z podstawową cechą obecnego „ruchu szarży”!

To wspaniale! Nie ma ruchu ładunku elektrycznego, dlaczego więc można go nazwać prądem elektrycznym?

Nie martw się i słuchaj mnie powoli.

Przyjrzyjmy się najpierw prądowi magnesującemu.

Stwierdzono, że magnetyzm jest spowodowany ruchem elektryczności (nie biorąc pod uwagę na razie wyjaśnienia magnetyzmu wewnętrznymi właściwościami spinu). Aby wyjaśnić naturalny magnetyzm, francuski fizyk Ampere wysunął hipotezę „krążenia molekularnego”.

Jak pokazano na poniższym rysunku, każdy atom lub cząsteczkę można uznać za posiadający ładunek elektryczny obracający się wokół środka, tworzący niewielki prąd pętli, czyli „cyrkulację molekularną”.

Zgodnie z prawem, że prąd elektryczny wzbudza pole magnetyczne, ta cyrkulacja molekularna wytworzy wielkość fizyczną zwaną momentem magnetycznym. Jego wielkość to obszar zamknięty przez krążenie molekularne pomnożony przez równoważny prąd cyrkulacji molekularnej, a jego kierunek jest w prawoskrętnej relacji spiralnej z kierunkiem krążenia, czyli

Oczywiście kierunek momentu magnetycznego jest dokładnie zgodny z kierunkiem pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd krążący

.

W normalnych warunkach układ krążenia molekularnego substancji jest chaotyczny, więc substancja nie jest magnetyczna, jak pokazano po lewej stronie poniższego rysunku. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego te cyrkulacje molekularne zostaną w przybliżeniu uporządkowane. Jak pokazano po prawej stronie poniższego rysunku, ich momenty magnetyczne są ułożone w jednym kierunku tak bardzo, jak to tylko możliwe, tak jak niezliczone małe igły magnetyczne zebrane razem aby uformować całkowite pole magnetyczne, a cały złożony z nich materiał staje się magnetyczny.

Załóżmy, że jest magnes cylindryczny, wewnętrzna cyrkulacja molekularna jest starannie ułożona, a sekcje każdej cyrkulacji molekularnej na krawędzi sekcji magnesu są połączone ze sobą, tworząc dużą cyrkulację, jak pokazano na poniższym rysunku.

Na tej podstawie możemy pomyśleć, że magnes sztabkowy jest jak elektromagnes pod napięciem. Innymi słowy, na powierzchni magnesu uwikłany jest niewidzialny prąd! Ten rodzaj prądu nie może być podłączony i używany. Jest ograniczony do powierzchni magnesu. Nazywamy to „prądem wiązania” lub „prądem magnesującym”.

Dlatego prąd magnesujący jest prądem, ponieważ jest taki sam, jak prąd wytwarzany przez ruch rzeczywistych ładunków elektrycznych, który może równoważnie generować pole magnetyczne!

Przyjrzyjmy się ponownie prądowi przesunięcia.

Zgodnie z twierdzeniem pętli Ampere’a całka natężenia pola magnetycznego na zamkniętej ścieżce jest równa strumieniowi gęstości prądu na dowolnej zakrzywionej powierzchni ograniczonej tą ścieżką, to znaczy twierdzenie to nazywa się twierdzeniem Stokesa w matematyce. Mówi nam, że całka wektora wzdłuż dowolnej ścieżki zamkniętej musi być równa strumieniowi jego rotacji (tutaj) do dowolnej powierzchni ograniczonej ścieżką zamkniętą.

Ponieważ jest to twierdzenie matematyczne, zawsze musi być poprawne, ponieważ matematyka jest systemem logicznym opartym na aksjomatach.

Dlatego twierdzenie o pętli Ampere musi zawsze obowiązywać!

Jednak utalentowany szkocki fizyk Maxwell odkrył, że w obliczu niestabilnego obwodu prądowego twierdzenie o pętli Ampera było sprzeczne.

Typowy niestabilny prąd występuje podczas ładowania i rozładowywania kondensatora. Jak pokazano na poniższym rysunku, podczas krótkiego okresu ładowania kondensatora występuje niestabilny prąd.

Ale obwód jest odłączony między płytami kondensatora, co spowoduje poważny problem.

Załóżmy, że rozważamy zamkniętą ścieżkę, która omija przewód, jak pokazano na poniższym rysunku, okrąg oznaczony przez C i zakrzywioną powierzchnię z nim jako granicę można dowolnie wybrać. Na rysunku wybrano okrągłą płaszczyznę zamkniętą przez samo C i przez kondensator. Zakrzywiona powierzchnia lewej płyty.

Zgodnie z powierzchnią kołową można zauważyć, że zgodnie z zakrzywioną powierzchnią, ale jako całkę pętlową z natężenia pola magnetycznego, należy wyznaczyć jego wartość!

Jak zrobić?

Maxwell uważa, że ​​należy ustalić twierdzenie o pętli Ampera. Teraz, gdy pojawia się problem, musi to być spowodowane tym, że część prądu nie została przez nas wcześniej odkryta, ale istnieje!

Jak więc znaleźć tę część prądu?

Ponieważ problem tkwi między płytami, zacznij od między płytami.

Poprzez analizę Maxwell odkrył, że niezależnie od ładowania lub rozładowania, pomiędzy płytami kondensatora przez cały czas istnieje fizyczna wielkość, która jest zsynchronizowana z wielkością i kierunkiem prądu. Jest to pochodna po czasie strumienia elektrycznego wektora przemieszczenia, czyli określana jest jako prąd przesunięcia.

Jeśli uzna się, że ta część jest tą częścią prądu, która nie została wcześniej odkryta, to teraz jest prąd całkowity. Oznacza to, że chociaż obwód między płytami jest odłączony, pochodna strumienia przesunięcia elektrycznego i suma prądu razem, jako całość, zapewniają ciągłość prądu przez cały czas.

Wracając do poprzedniej sprzeczności, teraz wiemy, że zgodnie z wymaganiami twierdzenia Stokesa przy obliczaniu strumienia gęstości prądu dla powierzchni zamkniętej należy również uwzględnić gęstość prądu przesunięcia, czyli pełną pętlę amperową. twierdzenie brzmi zatem: „Odkrywając” ten nowy składnik prądu, kryzys twierdzenia o pętli Ampere jest rozwiązany!

Powód, dla którego „wprowadzenie” nie jest tutaj używane, ale „odkrycie” jest tutaj używane. Chcę podkreślić, że ten rodzaj prądu nie jest matematyczną kompensacją, ale rzeczywistą rzeczą, ale nie została wcześniej odkryta.

Dlaczego w ogóle istnieje? Ponieważ działa jak prąd elektryczny, podobnie jak prąd przewodzący, wzbudza równoważnie pole magnetyczne, z wyjątkiem tego, że nie ma ruchu ładunków elektrycznych, nie jest wymagany przewód i nie można wytworzyć ciepła Joule’a, więc zostało to zignorowane!

Ale tak naprawdę istnieje sam, po prostu trzymaj się nisko, przez cały czas po cichu podniecał pole magnetyczne!

Innymi słowy, kiedy mamy do czynienia z polem magnetycznym, pierwotna definicja prądu jest zbyt wąska. Istotą prądu elektrycznego nie jest ruch ładunku elektrycznego, powinien to być coś, co może wzbudzić pole magnetyczne.

Do tej pory wprowadzono kilka form prądu. Wszystkie istnieją obiektywnie, a ich wspólną cechą jest to, że wszystkie prądy mogą w równym stopniu wzbudzać pole magnetyczne.