Ce este curentul electric? Mai întâi reamintim, care este definiția curentului pe care am învățat-o?

Pur și simplu, mișcarea direcțională a particulelor încărcate într-un conductor este un curent electric.

Numai atunci când o substanță are particule încărcate care se pot mișca liber, ea poate transmite curent electric, adică poate conduce electricitatea. Aceste particule încărcate care participă la conducere sunt numite purtători. Pentru metale, de exemplu, doar electronii exteriori ai atomilor pot acționa ca purtători.

„Mișcarea direcțională” în definiția curentului electric este adesea înțeleasă greșit. Mulți oameni cred că se referă la mișcarea cu o anumită direcție, desigur că nu! Nu se schimbă direcția de mișcare a electronilor în circuitul de curent alternativ?

De fapt, orientarea este relativ la „mișcare aleatorie”!

Deoarece electronii sunt particule microscopice, ei trebuie să fie în mișcare termică tot timpul. Mișcarea termică este o mișcare aleatorie, așa cum se arată în figura de mai jos.

Această mișcare este de fapt foarte rapidă. De exemplu, în metale la temperatura camerei, viteza mișcării termice electronice este de ordinul a sute de kilometri pe secundă!

Dacă te uiți îndeaproape la această mișcare aleatorie, vei descoperi că direcția de mișcare a fiecărei particule este aleatorie în orice moment. Dacă adunăm vectorii viteză ai acestor particule, rezultatul este aproape zero.

Acum adăugați un câmp electric la conductor, iar electronul suprapune o mișcare direcțională pe baza mișcării aleatorii. Presupunând că câmpul electric este la stânga pentru o anumită perioadă de timp, mișcarea electronilor arată astfel. Bilele roșii reprezintă atomi de metal de pe rețeaua cristalină, iar punctele care se mișcă rapid reprezintă electroni liberi.

Arată rapid? Asta pentru că mișcarea electronică este foarte rapidă! Dar, de fapt, mișcarea aleatoare, care reprezintă o mare parte din ea, nu contribuie la curent. Când mișcarea aleatorie este eliminată, restul este la fel ca aspectul lent de mai jos.

Într-adevăr, mișcarea direcțională a electronilor este mult mai lentă decât viteza mișcării termice. Această mișcare de „măcinare” a electronilor se numește deriva sau „deriva”. Uneori, electronii vor rula în direcția opusă din cauza ciocnirilor cu atomii. Dar, în general, electronii se mișcă într-o direcție.

Dacă câmpul electric își schimbă direcția, se va schimba și direcția deplasării electronilor.

Prin urmare, acest tip de mișcare direcțională înseamnă că suma vitezelor tuturor electronilor care participă la conducție la un anumit moment nu este zero, ci este în general într-o anumită direcție. Această direcție poate fi schimbată oricând, și acesta este cazul curentului alternativ.

Prin urmare, curentul nu este atât „mișcarea direcțională” a sarcinii electrice, cât este „mișcarea colectivă” a sarcinii electrice.

Mărimea curentului din conductor este exprimată prin intensitatea curentului. Intensitatea curentului este definită ca cantitatea de energie electrică care trece prin secțiunea transversală a conductorului într-o unitate de timp, și anume

Am învățat câteva mărimi fizice care conțin cuvântul „intensitate”, cum ar fi intensitatea câmpului electric și intensitatea inducției magnetice. Ele reprezintă, în general, repartizarea pe unitatea de timp, unitate de suprafață (sau unitate de volum, unitate de unghi solid). Cu toate acestea, cuvântul „intensitate” din intensitatea curentă nu reflectă repartizarea curentă a zonei.

De fapt, o altă mărime fizică este responsabilă pentru distribuția curentului în zonă, care este densitatea curentului.

Deoarece esența curentului electric este mișcarea direcțională a sarcinii electrice, trebuie să existe o anumită relație între intensitatea curentului și viteza de derive!

Pentru a obține această relație, trebuie mai întâi să clarificăm o concentrare concept-purtător, adică numărul de purtători dintr-o unitate de volum, care se exprimă prin .

Se presupune că secțiunea transversală a conductorului este, concentrația purtătorului este, viteza de derivă este și sarcina încărcată este.

Apoi, sarcina din conductorul din partea stângă a suprafeței este, iar aceste sarcini vor trece prin suprafață într-o anumită perioadă de timp, deci

Aceasta este o expresie microscopică a intensității curentului.

Densitatea curentului este repartizarea curentului la suprafață, deci mărimea densității curentului este, dar este definită ca un vector, iar direcția este direcția vectorului viteză de deriva a purtătorilor încărcați pozitiv, deci deriva electronilor în metalul poate fi obținut din această viteză, ca exemplu de mai jos.

Luați în considerare un fir de cupru, presupunând că fiecare atom de cupru contribuie cu un electron ca purtător. Există 1 mol de cupru, volumul său este, masa molară este, densitatea este, atunci concentrația de purtător a firului de cupru este

Unde este constanta lui Avogadro. Se găsește densitatea cuprului, iar valoarea obținută prin înlocuire este de aproximativ unitate/metru cub.

Presupunând că raza firului de cupru este de 0.8 mm, curentul care curge este de 15 A, = 1.6 C, iar viteza de derive a electronilor este calculată ca

Se poate observa că viteza de derive a electronilor este într-adevăr foarte mică.

Pentru cei care studiază circuitele, cele de mai sus reprezintă definiția completă a curentului.

Dar în fizică, definiția de mai sus a curentului este de fapt doar o definiție restrânsă. Curenții mai generali nu se limitează la conductori, atâta timp cât mișcarea sarcinilor electrice este curentă. De exemplu, atunci când electronii unui atom de hidrogen se mișcă în jurul nucleului, se formează un curent electric pe orbita lui.

Să presupunem că cantitatea de încărcare electronică este și perioada de mișcare este. Apoi, de fiecare dată când trece, există o cantitate atât de mare de sarcină care trece prin orice secțiune transversală a buclei, astfel încât intensitatea curentului se bazează pe relația dintre perioadă, frecvență și viteza unghiulară, iar curentul poate fi exprimat și ca

Pentru un alt exemplu, un disc metalic încărcat, care se rotește în jurul axei sale, formează și curenți de buclă cu raze diferite.

Acest tip de curent nu este un curent de conducție normal și nu poate genera căldură Joule! Nu se poate forma un circuit real.

Altfel, ați putea să-mi dați un calcul al câtă căldură joule este generată pe secundă de electronii atomului de hidrogen?

De fapt, curentul în vid nu satisface legea lui Ohm. Pentru că, pentru curentul electric format prin mișcarea particulelor încărcate în vid, purtătorii nu se ciocnesc similar cu rețeaua din metal, deci vidul nu are rezistență și nici conductanță.

Mișcarea sarcinilor electrice generează curent electric, iar sarcina electrică în sine excită câmpul electric. Acest lucru este ușor să provoace o neînțelegere. Mulți oameni cred așadar că câmpul electric al particulelor încărcate care formează curentul electric trebuie expus. Dar, de fapt, pentru curentul de conducere într-un conductor general, purtătorii curg pe un fundal compus dintr-un număr mare de ioni metalici încărcați pozitiv, iar conductorul în sine este neutru!

Numim adesea acest tip de curent special „curent echivalent”. Echivalentul aici înseamnă că generează un câmp magnetic pe aceeași bază ca un curent de conducție obișnuit!

Memento: nu confundați aici „curent echivalent” cu „circuitul echivalent” în analiza circuitului

De fapt, când am studiat prima dată câmpul magnetic, curentul electric din legea lui Biot-Saffar era curentul electric generalizat care conținea acest curent echivalent. Desigur, curentul de conducere din ecuațiile lui Maxwell se referă și la curentul generalizat.

Cei care au studiat efectul fotoelectric știu că atunci când fotoelectronul se deplasează de la catod la anod, dacă influența aerului este ignorată, acest curent este cauzat de mișcarea sarcinilor electrice în vid și nu există rezistență, așa că nu este restricționat de legea lui Ohm.

Deci, acesta este singurul lucru despre curentul electric în fizică?

Nu! Există, de asemenea, două tipuri, și anume curent de magnetizare și curent de deplasare.

Sunt, de asemenea, doi curenți echivalenti, care, după cum sugerează și numele, sunt introduși și pentru a explica magnetismul. Cu alte cuvinte, s-au rupt de caracteristica de bază a „mișcării de încărcare” actuală!

Asta e uimitor! Nu există mișcare de sarcină electrică, așa că de ce poate fi numită curent electric?

Nu-ți face griji și ascultă-mă încet.

Să ne uităm mai întâi la curentul de magnetizare.

S-a constatat că magnetismul este cauzat de mișcarea electricității (ne luând în considerare explicația magnetismului prin proprietățile intrinseci ale spinului pentru moment). Pentru a explica magnetismul natural, fizicianul francez Ampere a prezentat ipoteza „circulației moleculare”.

După cum se arată în figura de mai jos, orice atom sau moleculă poate fi considerată ca având o sarcină electrică care se rotește în jurul centrului, formând un curent de buclă minuscul, adică „circulația moleculară”.

Conform legii că curentul electric excită câmpul magnetic, această circulație moleculară va produce o mărime fizică numită moment magnetic. Mărimea sa este aria cuprinsă de circulația moleculară înmulțită cu curentul echivalent al circulației moleculare, iar direcția sa este într-o relație spirală dreapta cu direcția circulației, și anume

Evident, direcția momentului magnetic este exact de-a lungul direcției câmpului magnetic format de curentul circulant.

.

În circumstanțe normale, aranjarea circulației moleculare a unei substanțe este haotică, astfel încât substanța nu este magnetică, așa cum se arată în partea stângă a figurii de mai jos. Când sunt supuse unui câmp magnetic extern, aceste circulații moleculare vor fi aproximativ ordonate. După cum se arată în partea dreaptă a figurii de mai jos, momentele lor magnetice sunt aranjate într-o singură direcție cât mai mult posibil, la fel ca nenumărate ace mici magnetice adunate împreună pentru a forma un câmp magnetic total, iar întregul material compus din ele devine magnetic.

Să presupunem că există un magnet cilindric, circulația moleculară interioară este ordonată și secțiunile fiecărei circulații moleculare de la marginea secțiunii magnetului sunt conectate împreună pentru a forma o circulație mare, așa cum se arată în figura de mai jos.

Pe baza acestui fapt, putem crede că un magnet de bară este ca un solenoid alimentat. Cu alte cuvinte, există un curent invizibil încurcat pe suprafața magnetului! Acest tip de curent nu poate fi conectat și utilizat. Se limitează la suprafața magnetului. Îl numim „curent de legătură” sau „curent de magnetizare”.

Prin urmare, curentul de magnetizare este un curent, deoarece este același cu curentul format prin mișcarea sarcinilor electrice reale, care pot genera în mod echivalent un câmp magnetic!

Să ne uităm din nou la curentul de deplasare.

Conform teoremei buclei lui Ampere, integrala intensității câmpului magnetic pe o cale închisă este egală cu fluxul densității de curent pe orice suprafață curbă delimitată de această cale, adică această teoremă se numește teorema lui Stokes în matematică. Ne spune că integrala unui vector de-a lungul oricărei căi închise trebuie să fie egală cu fluxul curbei sale (aici) către orice suprafață delimitată de calea închisă.

Deoarece este o teoremă matematică, trebuie să fie întotdeauna corectă, deoarece matematica este un sistem logic bazat pe axiome.

Prin urmare, teorema buclei de amperi trebuie să fie întotdeauna valabilă!

Cu toate acestea, talentatul fizician scoțian Maxwell a descoperit că atunci când se confruntă cu un circuit de curent instabil, teorema buclei Ampere era contradictorie.

Curentul tipic instabil apare în timpul încărcării și descărcării condensatorului. După cum se arată în figura de mai jos, există un curent instabil în timpul scurtei perioade de încărcare a condensatorului.

Dar circuitul este deconectat între plăcile condensatorului, ceea ce va cauza o problemă serioasă.

Să presupunem că luăm în considerare o cale închisă care ocolește firul, așa cum se arată în figura de mai jos, cercul marcat cu C și suprafața curbată cu aceasta ca limită poate fi selectată în mod arbitrar. În figură, planul circular închis de C însuși și peste condensator sunt selectați. Suprafața curbată a plăcii din stânga.

În funcție de suprafața circulară, se poate observa că în funcție de suprafața curbată, dar ca o integrală a buclei a intensității câmpului magnetic, ar trebui determinată valoarea acestuia!

Cum se face?

Maxwell consideră că trebuie stabilită teorema buclei lui Ampere. Acum că există o problemă, trebuie să fie pentru că o parte din curent nu a fost descoperită de noi până acum, dar există!

Deci, cum să aflați această parte a curentului?

Deoarece problema este între plăci, începeți de la între plăci.

Prin analiză, Maxwell a descoperit că, indiferent de încărcare sau descărcare, există o cantitate fizică între plăcile condensatorului în orice moment, care este sincronizată cu mărimea și direcția curentului. Este derivata în timp a fluxului vectorului de deplasare electrică, adică este definită ca curent de deplasare.

Dacă se consideră că această parte este partea de curent care nu a fost descoperită înainte, atunci curentul complet este acum. Adică, deși circuitul dintre plăci este deconectat, derivata fluxului electric de deplasare și suma curentului împreună, în ansamblu, asigură continuitatea curentului în orice moment.

Revenind la contradicția anterioară, știm acum că, conform cerințelor teoremei lui Stokes, atunci când se calculează fluxul densității de curent pentru o suprafață închisă, trebuie luată în considerare și densitatea curentului de deplasare, adică bucla completă de amperi. teorema este așadar, Prin „descoperirea” acestei noi componente curente, se rezolvă criza Teoremei Buclei Ampere!

Motivul pentru care „introducere” nu este folosită aici, dar „descoperire” este folosită aici. Ceea ce vreau să subliniez este că acest gen de curent nu este o compensare matematică, ci un lucru real, dar nu a fost descoperit până acum.

De ce există în primul rând? Deoarece acționează ca un curent electric, ca un curent de conducere, excită un câmp magnetic în mod echivalent, cu excepția faptului că nu există nicio mișcare a sarcinilor electrice, nu este necesar niciun fir și nu poate fi generată căldură Joule, așa că a fost ignorată!

Dar de fapt există de la sine, păstrați doar un profil scăzut, a excitat în tăcere câmpul magnetic de acolo tot timpul!

Cu alte cuvinte, atunci când ne confruntăm cu un câmp magnetic, definiția originală a curentului este prea îngustă. Esența curentului electric nu este mișcarea sarcinii electrice, ar trebui să fie ceva care poate excita un câmp magnetic.

Până acum au fost introduse mai multe forme de curent. Toți există în mod obiectiv, iar ceea ce au în comun este că toți curenții pot excita în mod egal câmpul magnetic.