Какой электрический ток? Сначала вспомните, какое определение тока мы узнали?

Проще говоря, направленное движение заряженных частиц в проводнике – это электрический ток.

Только когда вещество имеет заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться, оно может передавать электрический ток, то есть проводить электричество. Эти заряженные частицы, участвующие в проводимости, называются носителями. Для металлов, например, только внешние электроны атомов могут действовать как переносчики.

«Направленное движение» в определении электрического тока часто понимается неправильно. Многие думают, что это относится к движению в определенном направлении, конечно же, нет! Не меняется ли направление движения электронов в цепи переменного тока?

Фактически, спортивное ориентирование – это относительное «случайное движение»!

Поскольку электроны представляют собой микроскопические частицы, они должны постоянно находиться в тепловом движении. Тепловое движение – это случайное движение, как показано на рисунке ниже.

This movement is actually very fast. For example, in metals at room temperature, the speed of electronic thermal movement is on the order of hundreds of kilometers per second!

Если вы внимательно посмотрите на это случайное движение, вы обнаружите, что направление движения каждой частицы случайно в любой момент. Если сложить векторы скоростей этих частиц, результат будет почти нулевым.

Теперь добавьте к проводнику электрическое поле, и электрон наложит направленное движение на основе случайного движения. Предполагая, что электрическое поле находится слева в течение определенного периода времени, движение электронов выглядит следующим образом. Красные шары представляют собой атомы металла на кристаллической решетке, а быстро движущиеся точки представляют собой свободные электроны.

Это выглядит быстро? Это потому, что электронное движение действительно быстрое! Но на самом деле случайное движение, на которое приходится большая его часть, не влияет на ток. Когда случайное движение устранено, все остальное выглядит так же, как показано ниже.

В самом деле, электронное движение по направлению намного медленнее, чем скорость теплового движения. Это «измельчающее» движение электронов называется дрейфом или «дрейфом». Иногда электроны бегут в противоположном направлении из-за столкновений с атомами. Но в целом электроны движутся в одном направлении.

Если электрическое поле меняет направление, направление дрейфа электронов также изменится.

Следовательно, этот вид направленного движения означает, что сумма скоростей всех электронов, участвующих в проводимости в определенное время, не равна нулю, а обычно находится в определенном направлении. Это направление можно изменить в любой момент, и это в случае переменного тока.

Следовательно, ток – это не столько «направленное движение» электрического заряда, сколько «коллективное движение» электрического заряда.

Величина тока в проводнике выражается силой тока. Сила тока определяется как количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени, а именно:

Мы узнали некоторые физические величины, которые содержат слово «интенсивность», например напряженность электрического поля и напряженность магнитной индукции. Обычно они представляют собой распределение на единицу времени, единицу площади (или единицу объема, единицу телесного угла). Однако слово «интенсивность» в силе тока не отражает текущего распределения площади.

In fact, another physical quantity is responsible for the distribution of current to area, which is current density.

Поскольку сущность электрического тока – это направленное движение электрического заряда, должна быть определенная взаимосвязь между силой тока и скоростью дрейфа!

Чтобы получить это соотношение, мы должны сначала уточнить концентрацию концептуальных носителей, то есть количество носителей в единице объема, которое выражается .

Предполагается, что поперечное сечение проводника равно, концентрация носителей равна, скорость дрейфа составляет, а заряженный заряд равен.

Тогда заряд в проводнике на левой стороне поверхности равен, и эти заряды пройдут через поверхность в течение определенного периода времени, поэтому

Это микроскопическое выражение силы тока.

Плотность тока – это распределение тока по площади, поэтому величина плотности тока равна, но она определяется как вектор, а направление – это направление вектора скорости дрейфа положительно заряженных носителей, поэтому дрейф электронов в металл можно получить из этой скорости, как показано ниже в примере.

Рассмотрим медный провод, предполагая, что каждый атом меди вносит электрон в качестве носителя. Медь 1 моль, ее объем, молярная масса, плотность, то концентрация носителей в медной проволоке равна

Где постоянная Авогадро. Плотность меди найдена, и значение, полученное путем подстановки, составляет около единицы / кубический метр.

Предполагая, что радиус медной проволоки равен 0.8 мм, текущий ток равен 15 А, = 1.6 C, а скорость дрейфа электронов рассчитывается как

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

Для тех, кто изучает электрические схемы, приведенное выше определение тока является полным.

Но в физике приведенное выше определение тока на самом деле является лишь узким определением. Более общие токи не ограничиваются проводниками, пока электрические заряды движутся по току. Например, когда электроны атома водорода движутся вокруг ядра, на его орбите образуется электрический ток.

Допустим, количество заряда электроники равно, а период движения -. Затем каждый раз, когда это истекает, такое большое количество заряда проходит через любое поперечное сечение контура, поэтому сила тока основана на соотношении между периодом, частотой и угловой скоростью, а ток также может быть выражен как

Другой пример: заряженный металлический диск, вращаясь вокруг своей оси, также образует петлевые токи с разными радиусами.

Этот вид тока не является нормальным током проводимости и не может генерировать джоулевое тепло! Не может образовать реальный контур.

В противном случае, не могли бы вы дать мне расчет, сколько джоулей тепла выделяется в секунду электронами атома водорода?

На самом деле ток в вакууме не подчиняется закону Ома. Поскольку для электрического тока, образованного движением заряженных частиц в вакууме, носители не сталкиваются, как решетка в металле, поэтому вакуум не имеет сопротивления и проводимости.

Движение электрических зарядов генерирует электрический ток, а сам электрический заряд возбуждает электрическое поле. Это легко вызвать недоразумение. Поэтому многие люди думают, что электрическое поле заряженных частиц, образующих электрический ток, должно быть обнажено. Но на самом деле для тока проводимости в обычном проводнике носители текут на фоне, состоящем из большого количества положительно заряженных ионов металлов, а сам проводник нейтрален!

Мы часто называем этот вид особого тока «эквивалентным током». Эквивалент здесь означает, что он генерирует магнитное поле на той же основе, что и обычный ток проводимости!

Напоминание: не путайте «эквивалентный ток» здесь с «эквивалентной схемой» в анализе цепей.

Фактически, когда мы впервые исследовали магнитное поле, электрический ток в законе Био-Саффара был обобщенным электрическим током, который содержал этот эквивалентный ток. Конечно, ток проводимости в уравнениях Максвелла также относится к обобщенному току.

Те, кто изучал фотоэлектрический эффект, знают, что, когда фотоэлектрон дрейфует от катода к аноду, если пренебречь влиянием воздуха, этот ток вызывается движением электрических зарядов в вакууме, а сопротивление отсутствует, поэтому он не ограничивается законом Ома.

Итак, это единственное, что касается электрического тока в физике?

Нет! Также есть два типа, а именно ток намагничивания и ток смещения.

Это также два эквивалентных тока, которые, как следует из названия, также вводятся для объяснения магнетизма. Другими словами, они оторвались от основной характеристики текущего «движения заряда»!

Это восхитительно! Нет движения электрического заряда, почему его можно назвать электрическим током?

Не волнуйся и слушай меня медленно.

Давайте сначала посмотрим на ток намагничивания.

Было обнаружено, что магнетизм вызывается движением электричества (пока что не учитывая объяснение магнетизма внутренними свойствами спина). Чтобы объяснить естественный магнетизм, французский физик Ампер выдвинул гипотезу «молекулярной циркуляции».

Как показано на рисунке ниже, любой атом или молекула могут рассматриваться как имеющие электрический заряд, вращающийся вокруг центра, образующий крошечный контур тока, то есть «молекулярную циркуляцию».

Согласно закону, согласно которому электрический ток возбуждает магнитное поле, эта молекулярная циркуляция будет производить физическую величину, называемую магнитным моментом. Его размер – это площадь, ограниченная молекулярной циркуляцией, умноженная на эквивалентный ток молекулярной циркуляции, и ее направление находится в зависимости от направления правой спирали с направлением циркуляции, а именно

Очевидно, что направление магнитного момента точно по направлению магнитного поля, образованного циркулирующим током.

.

В нормальных условиях молекулярная циркуляция вещества хаотична, поэтому вещество не является магнитным, как показано в левой части рисунка ниже. Под воздействием внешнего магнитного поля эти молекулярные циркуляции будут примерно аккуратно организованы. Как показано в правой части рисунка ниже, их магнитные моменты расположены в одном направлении, насколько это возможно, точно так же, как бесчисленные маленькие магнитные иглы, собранные вместе, чтобы сформировать общее магнитное поле, и весь материал, состоящий из них, становится магнитным.

Предположим, что имеется цилиндрический магнит, внутренняя молекулярная циркуляция аккуратно организована, и секции каждой молекулярной циркуляции на краю секции магнита соединены вместе, образуя большую циркуляцию, как показано на рисунке ниже.

Исходя из этого, мы можем думать, что стержневой магнит похож на соленоид под напряжением. Другими словами, на поверхности магнита запутывается невидимый ток! Этот вид тока нельзя подключить и использовать. Он ограничен поверхностью магнита. Мы называем это «током связывания» или «током намагничивания».

Следовательно, ток намагничивания – это ток, потому что он такой же, как ток, образованный движением реальных электрических зарядов, которые могут эквивалентно генерировать магнитное поле!

Давайте снова посмотрим на ток смещения.

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.

Поскольку это математическая теорема, она всегда должна быть правильной, потому что математика – это логическая система, основанная на аксиомах.

Следовательно, теорема о петле Ампера должна выполняться всегда!

Однако талантливый шотландский физик Максвелл обнаружил, что, столкнувшись с цепью нестабильного тока, теорема о петле Ампера противоречила.

Типичный нестабильный ток возникает во время зарядки и разрядки конденсатора. Как показано на рисунке ниже, в течение короткого периода зарядки конденсатора возникает нестабильный ток.

Но цепь между пластинами конденсатора разомкнута, что вызовет серьезную проблему.

Предположим, мы рассматриваем замкнутый путь в обход провода, как показано на рисунке ниже, круг, отмеченный буквой C, и криволинейная поверхность с ним в качестве границы могут быть выбраны произвольно. На рисунке выбрана круговая плоскость, ограниченная самим C и поперек конденсатора. Изогнутая поверхность левой пластины.

По круглой поверхности видно, что в соответствии с изогнутой поверхностью, но как петлевой интеграл напряженности магнитного поля, следует определять ее значение!

Как сделать?

Максвелл считает, что необходимо установить теорему Ампера о петле. Теперь, когда есть проблема, она должна быть связана с тем, что часть тока не была обнаружена нами раньше, но она существует!

Итак, как узнать эту часть тока?

Since the problem is between the plates, start from between the plates.

Путем анализа Максвелл обнаружил, что независимо от заряда или разряда между пластинами конденсатора всегда есть физическая величина, синхронизированная с величиной и направлением тока. Это производная по времени от потока вектора электрического смещения, то есть она определяется как ток смещения.

Если считать, что эта часть является частью тока, который не был обнаружен ранее, то полный ток – это сейчас. То есть, хотя цепь между пластинами отключена, производная потока электрического смещения и сумма тока вместе, в целом, обеспечивают непрерывность тока в любое время.

Возвращаясь к предыдущему противоречию, теперь мы знаем, что согласно требованиям теоремы Стокса при вычислении плотности потока тока для замкнутой поверхности также следует учитывать плотность тока смещения, то есть полную амперную петлю Теорема, таким образом, заключается в том, что «открыв» этот новый компонент тока, кризис теоремы о петле Ампера разрешен!

The reason why “introduction” is not used here, but “discovery” is used here. What I want to emphasize is that this kind of current is not a mathematical compensation, but a real thing, but it has not been discovered before.

Почему он вообще существует? Поскольку он действует как электрический ток, как ток проводимости, он эквивалентно возбуждает магнитное поле, за исключением того, что нет движения электрических зарядов, не требуется провод и не может генерироваться джоулевое тепло, поэтому его игнорировали!

Но на самом деле он существует сам по себе, только держитесь подальше, он все время молча возбуждает там магнитное поле!

Другими словами, когда мы сталкиваемся с магнитным полем, исходное определение тока слишком узкое. Суть электрического тока – это не движение электрического заряда, это должно быть что-то, что может возбуждать магнитное поле.

До сих пор было введено несколько форм тока. Все они существуют объективно, и их объединяет то, что все токи могут одинаково возбуждать магнитное поле.