Qual é a corrente elétrica? Primeiro, lembre-se, qual é a definição de corrente que aprendemos?

Muito simplesmente, o movimento direcional de partículas carregadas em um condutor é uma corrente elétrica.

Somente quando uma substância tem partículas carregadas que podem se mover livremente, ela pode transmitir corrente elétrica – isto é, conduzir eletricidade. Essas partículas carregadas que participam da condução são chamadas de portadores. Para metais, por exemplo, apenas os elétrons externos dos átomos podem atuar como portadores.

O “movimento direcional” na definição de corrente elétrica é freqüentemente mal interpretado. Muita gente pensa que se refere a um movimento com uma determinada direção, claro que não! A direção do movimento dos elétrons no circuito CA não muda?

Na verdade, a orientação é relativa ao “movimento aleatório”!

Como os elétrons são partículas microscópicas, eles devem estar em movimento térmico o tempo todo. O movimento térmico é um movimento aleatório, conforme mostrado na figura abaixo.

Na verdade, esse movimento é muito rápido. Por exemplo, em metais à temperatura ambiente, a velocidade do movimento térmico eletrônico é da ordem de centenas de quilômetros por segundo!

Se você observar atentamente esse movimento aleatório, descobrirá que a direção do movimento de cada partícula é aleatória a qualquer momento. Se você somar os vetores de velocidade dessas partículas, o resultado é quase zero.

Agora adicione um campo elétrico ao condutor e o elétron sobrepõe um movimento direcional com base no movimento aleatório. Supondo que o campo elétrico fique à esquerda por um certo período de tempo, o movimento dos elétrons se parece com o seguinte. As bolas vermelhas representam átomos de metal na estrutura do cristal e os pontos que se movem rapidamente representam elétrons livres.

Parece rápido? Isso porque o movimento eletrônico é muito rápido! Mas, na verdade, o movimento aleatório, que responde por uma grande proporção dele, não contribui para a corrente. Quando o movimento aleatório é eliminado, o resto é igual ao lento abaixo.

Na verdade, o movimento direcional dos elétrons é muito mais lento do que a velocidade do movimento térmico. Este movimento de “trituração” dos elétrons é denominado deriva ou “deriva”. Às vezes, os elétrons correm na direção oposta devido a colisões com átomos. Mas, em geral, os elétrons se movem em uma direção.

Se o campo elétrico mudar de direção, a direção da deriva do elétron também mudará.

Portanto, esse tipo de movimento direcional significa que a soma das velocidades de todos os elétrons que participam da condução em um determinado momento não é zero, mas geralmente está em uma determinada direção. Este sentido pode ser alterado a qualquer momento, é o caso da corrente alternada.

Portanto, a corrente não é tanto o “movimento direcional” da carga elétrica, mas o “movimento coletivo” da carga elétrica.

A magnitude da corrente no condutor é expressa pela intensidade da corrente. A intensidade de corrente é definida como a quantidade de eletricidade que passa pela seção transversal do condutor em uma unidade de tempo, ou seja,

Aprendemos algumas quantidades físicas que contêm a palavra “intensidade”, como intensidade de campo elétrico e intensidade de indução magnética. Eles geralmente representam a distribuição por unidade de tempo, unidade de área (ou unidade de volume, unidade de ângulo sólido). No entanto, a palavra “intensidade” na intensidade atual não reflete o atual rateio da área.

Na verdade, outra quantidade física é responsável pela distribuição da corrente para a área, que é a densidade da corrente.

Visto que a essência da corrente elétrica é o movimento direcional da carga elétrica, deve haver uma certa relação entre a intensidade da corrente e a velocidade de deriva!

Para obter essa relação, devemos primeiro esclarecer uma concentração de portadores de conceito, ou seja, o número de portadores em um volume unitário, que é expresso por .

É assumido que a seção transversal do condutor é, a concentração de portadores é, a velocidade de deriva é e a carga carregada é.

Então, a carga no condutor do lado esquerdo da superfície é, e essas cargas vão passar pela superfície dentro de um certo período de tempo, então

Esta é uma expressão microscópica da intensidade da corrente.

Densidade de corrente é a distribuição de corrente para área, então a magnitude da densidade de corrente é, mas é definida como um vetor, e a direção é a direção do vetor de velocidade de deriva dos portadores carregados positivamente, então a deriva de elétrons no metal pode ser obtido a partir desta Velocidade, conforme exemplo abaixo.

Considere um fio de cobre, supondo que cada átomo de cobre contribui com um elétron como portador. Há 1 mol de cobre, seu volume é, massa molar é, densidade é, então a concentração de portador do fio de cobre é

Onde está a constante de Avogadro. Encontra-se a densidade do cobre, e o valor obtido pela substituição é de cerca de unidade / metro cúbico.

Assumindo que o raio do fio de cobre é 0.8 mm, a corrente fluindo é 15A, = 1.6 C, e a velocidade de deriva dos elétrons é calculada como

Pode-se ver que a velocidade de deriva dos elétrons é realmente muito pequena.

Para aqueles que estudam circuitos, o texto acima é a definição completa de corrente.

Mas em física, a definição acima de corrente é, na verdade, apenas uma definição estreita. As correntes mais gerais não se limitam aos condutores, desde que o movimento das cargas elétricas seja atual. Por exemplo, quando os elétrons de um átomo de hidrogênio se movem ao redor do núcleo, uma corrente elétrica é formada em sua órbita.

Suponha que a quantidade de carga eletrônica seja e o período de movimento seja. Então, toda vez que passa, há uma grande quantidade de carga passando por qualquer seção transversal do loop, então a intensidade da corrente é baseada na relação entre período, frequência e velocidade angular, e a corrente também pode ser expressa como

Para outro exemplo, um disco de metal carregado, girando em torno de seu eixo, também forma correntes de loop com raios diferentes.

Este tipo de corrente não é uma corrente de condução normal e não pode gerar calor Joule! Não pode formar um circuito real.

Do contrário, você poderia me dar um cálculo de quanto calor joule é gerado por segundo pelos elétrons do átomo de hidrogênio?

Na verdade, a corrente no vácuo não satisfaz a lei de Ohm. Pois, para a corrente elétrica formada pelo movimento de partículas carregadas no vácuo, os portadores não colidem de forma semelhante à rede no metal, então o vácuo não tem resistência e não tem condutância.

O movimento de cargas elétricas gera corrente elétrica, e a própria carga elétrica excita o campo elétrico. É fácil causar um mal-entendido. Muitas pessoas pensam, portanto, que o campo elétrico das partículas carregadas que formam a corrente elétrica deve ser exposto. Mas, na verdade, para a corrente de condução em um condutor geral, os portadores fluem em um fundo composto de um grande número de íons metálicos carregados positivamente, e o próprio condutor é neutro!

Freqüentemente, chamamos esse tipo de corrente especial de “corrente equivalente”. O equivalente aqui significa que ele gera um campo magnético na mesma base que uma corrente de condução comum!

Lembrete: Não confunda a “corrente equivalente” aqui com o “circuito equivalente” na análise de circuito

Na verdade, quando estudamos pela primeira vez o campo magnético, a corrente elétrica na lei de Biot-Saffar era a corrente elétrica generalizada que continha essa corrente equivalente. Claro, a corrente de condução nas equações de Maxwell também se refere à corrente generalizada.

Aqueles que estudaram o efeito fotoelétrico sabem que quando o fotoelétron vai do cátodo para o ânodo, se a influência do ar for ignorada, essa corrente é causada pelo movimento de cargas elétricas no vácuo, e não há resistência, então não é restringido pela lei de Ohm.

Então, essa é a única coisa sobre corrente elétrica na física?

Não! Existem também dois tipos: corrente de magnetização e corrente de deslocamento.

São também duas correntes equivalentes que, como o nome sugere, também são introduzidas para explicar o magnetismo. Em outras palavras, eles se afastaram da característica básica do atual “movimento de carga”!

Isso é incrível! Não há movimento de carga elétrica, então por que isso pode ser chamado de corrente elétrica?

Não se preocupe e me escute devagar.

Vejamos primeiro a corrente de magnetização.

Verificou-se que o magnetismo é causado pelo movimento da eletricidade (desconsiderando a explicação do magnetismo pelas propriedades intrínsecas do spin por enquanto). Para explicar o magnetismo natural, o físico francês Ampere propôs a hipótese da “circulação molecular”.

Conforme mostrado na figura abaixo, qualquer átomo ou molécula pode ser considerado como tendo uma carga elétrica girando em torno do centro, formando um minúsculo loop de corrente, ou seja, “circulação molecular”.

De acordo com a lei de que a corrente elétrica excita o campo magnético, essa circulação molecular produzirá uma quantidade física chamada momento magnético. Seu tamanho é a área delimitada pela circulação molecular multiplicada pela corrente equivalente da circulação molecular, e sua direção está em uma relação espiral destra com a direção da circulação, a saber

Obviamente, a direção do momento magnético é exatamente ao longo da direção do campo magnético formado pela corrente circulante

.

Em circunstâncias normais, o arranjo da circulação molecular de uma substância é caótico, então a substância não é magnética, como mostrado no lado esquerdo da figura abaixo. Quando submetidas a um campo magnético externo, essas circulações moleculares serão organizadas de forma aproximadamente ordenada. Conforme mostrado no lado direito da figura abaixo, seus momentos magnéticos estão dispostos em uma direção tanto quanto possível, assim como inúmeras pequenas agulhas magnéticas reunidas para formar um campo magnético total, e todo o material composto por elas se torna magnético.

Suponha que haja um ímã cilíndrico, a circulação molecular interna esteja bem organizada e as seções de cada circulação molecular na borda da seção do ímã sejam conectadas entre si para formar uma grande circulação, como mostrado na figura abaixo.

Com base nisso, podemos pensar que uma barra magnética é como um solenóide energizado. Em outras palavras, existe uma corrente invisível emaranhada na superfície do ímã! Este tipo de corrente não pode ser conectado e usado. Ele está confinado à superfície do ímã. Nós a chamamos de “corrente de ligação” ou “corrente de magnetização”.

Portanto, a corrente magnetizante é uma corrente, pois é igual à corrente formada pelo movimento de cargas elétricas reais, que podem equivalentemente gerar um campo magnético!

Vamos examinar a corrente de deslocamento novamente.

De acordo com o teorema do loop de Ampère, a integral da força do campo magnético em um caminho fechado é igual ao fluxo da densidade de corrente em qualquer superfície curva limitada por esse caminho, ou seja, esse teorema é chamado de teorema de Stokes em matemática. Ele nos diz que a integral de um vetor ao longo de qualquer caminho fechado deve ser igual ao fluxo de sua curva (aqui) para qualquer superfície limitada pelo caminho fechado.

Por ser um teorema matemático, deve estar sempre correto, porque a matemática é um sistema lógico baseado em axiomas.

Portanto, o Teorema do Ampere Loop deve sempre ser válido!

No entanto, o talentoso físico escocês Maxwell descobriu que, quando confrontado com um circuito de corrente instável, o teorema do loop de Ampère era contraditório.

A corrente instável típica ocorre durante o carregamento e descarregamento do capacitor. Conforme mostrado na figura abaixo, há uma corrente instável durante o curto período de carga do capacitor.

Mas o circuito está desconectado entre as placas do capacitor, o que causará um problema sério.

Suponha que consideremos um caminho fechado que ignora o fio, como mostrado na figura abaixo, o círculo marcado por C e a superfície curva com ele como o limite pode ser selecionado arbitrariamente. Na figura, o plano circular delimitado pelo próprio C e através do capacitor são selecionados. A superfície curva da placa esquerda.

De acordo com a superfície circular, pode-se ver que de acordo com a superfície curva, mas como um loop integral da força do campo magnético, seu valor deve ser determinado!

Como fazer?

Maxwell acredita que o teorema do loop de Ampère deve ser estabelecido. Agora que há um problema, deve ser porque uma parte da corrente não foi descoberta por nós antes, mas ela existe!

Então, como descobrir essa parte da corrente?

Como o problema é entre os pratos, comece entre os pratos.

Por meio da análise, Maxwell descobriu que, independentemente da carga ou descarga, há uma quantidade física entre as placas do capacitor o tempo todo que está sincronizada com a magnitude e a direção da corrente. É a derivada temporal do fluxo do vetor de deslocamento elétrico, ou seja, é definida como a corrente de deslocamento.

Se for considerado que esta parte é a parte da corrente que não foi descoberta antes, então a corrente completa é agora. Ou seja, embora o circuito entre as placas esteja desconectado, a derivada do fluxo de deslocamento elétrico e a soma das correntes juntas, como um todo, garantem a continuidade da corrente em todos os momentos.

Voltando à contradição anterior, sabemos agora que, de acordo com os requisitos do teorema de Stokes, no cálculo do fluxo de densidade de corrente para uma superfície fechada, deve-se considerar também a densidade de corrente de deslocamento, ou seja, a malha completa de amperes. O teorema é, portanto, “descobrindo” este novo componente atual, a crise do Teorema do circuito de Ampere é resolvida!

A razão pela qual “introdução” não é usada aqui, mas “descoberta” é usada aqui. O que quero enfatizar é que esse tipo de corrente não é uma compensação matemática, mas uma coisa real, mas não foi descoberta antes.

Por que existe em primeiro lugar? Por atuar como uma corrente elétrica, como uma corrente de condução, ela excita um campo magnético de forma equivalente, exceto que não há movimento de cargas elétricas, nenhum fio é necessário e nenhum calor Joule pode ser gerado, por isso foi ignorado!

Mas ele realmente existe por si mesmo, apenas mantenha um perfil baixo, ele silenciosamente excita o campo magnético lá o tempo todo!

Em outras palavras, quando nos deparamos com um campo magnético, a definição original de corrente é muito estreita. A essência da corrente elétrica não é o movimento da carga elétrica, deve ser algo que pode excitar um campo magnético.

Até agora, as várias formas de corrente foram introduzidas. Todos eles existem objetivamente, e o que eles têm em comum é que todas as correntes podem excitar igualmente o campo magnético.