برقي موجوده ڇا آهي؟ پهرين ياد ڪريو، موجوده جي وصف ڇا آهي جيڪو اسان سکيو آهي؟

Quite simply, the directional movement of charged particles in a conductor is an electric current.

صرف ان صورت ۾ جڏهن هڪ مادو چارج ٿيل ذرات آهي جيڪي آزاديء سان حرڪت ڪري سگهن ٿا، اهو برقي ڪرنٽ کي منتقل ڪري سگهي ٿو- يعني، بجليء کي هلائڻ. اهي چارج ٿيل ذرات جيڪي ڪنڪشن ۾ حصو وٺندا آهن انهن کي ڪيريئر سڏيو ويندو آهي. دھاتن لاءِ، مثال طور، ايٽم جا فقط ٻاهرين اليڪٽران ڪيريئر طور ڪم ڪري سگهن ٿا.

برقي ڪرنٽ جي تعريف ۾ ”سمت واري حرڪت“ کي اڪثر غلط سمجھيو ويندو آهي. ڪيترن ئي ماڻهن جو خيال آهي ته اهو هڪ خاص هدايت سان تحريڪ ڏانهن اشارو آهي، يقينا نه! ڇا AC سرڪٽ ۾ اليڪٽرانن جي حرڪت جو رخ تبديل نٿو ٿئي؟

حقيقت ۾، orienteering “بي ترتيب حرڪت” سان تعلق رکي ٿو!

جيئن ته اليڪٽران خوردبيني ذرات آهن، انهن کي هر وقت حرارتي حرڪت ۾ هجڻ گهرجي. حرارتي حرڪت هڪ بي ترتيب واري حرڪت آهي، جيئن هيٺ ڏنل شڪل ۾ ڏيکاريل آهي.

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!

جيڪڏهن توهان هن بي ترتيب واري حرڪت کي ويجهڙائي سان ڏسندا، توهان کي معلوم ٿيندو ته هر ذري جي حرڪت جي هدايت ڪنهن به وقت بي ترتيب آهي. جيڪڏهن توهان انهن ذرڙن جي رفتار ویکٹر کي شامل ڪيو، نتيجو تقريبا صفر آهي.

Now add an electric field to the conductor, and the electron superimposes a directional movement on the basis of random movement. Assuming that the electric field is to the left for a certain period of time, the movement of the electrons looks like the following. The red balls represent metal atoms on the crystal lattice, and the fast moving dots represent free electrons.

ڇا اهو تيز نظر اچي ٿو؟ اهو ئي سبب آهي ته اليڪٽرانڪ تحريڪ واقعي تيز آهي! پر حقيقت ۾، بي ترتيب واري حرڪت، جيڪا ان جي وڏي حصي جي حساب سان، موجوده ۾ حصو نه ڏئي ٿي. جڏهن بي ترتيب واري حرڪت کي ختم ڪيو ويندو آهي، باقي صرف هيٺ ڏنل سست نظر وانگر آهي.

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.

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

تنهن ڪري، هن قسم جي هدايت واري حرڪت جو مطلب آهي ته هڪ خاص وقت تي وهڪري ۾ حصو وٺندڙ سڀني اليڪٽرانن جي رفتار جو مجموعو صفر نه آهي، پر عام طور تي هڪ خاص هدايت ۾ آهي. هي رخ ڪنهن به وقت تبديل ٿي سگهي ٿو، ۽ اهو آهي بدلي ڪرنٽ جي صورت.

تنهن ڪري، ڪرنٽ برقي چارج جي ”سماعت واري حرڪت“ نه آهي جيترو اها برقي چارج جي ”مجموعي حرڪت“ آهي.

موصل ۾ موجوده جي شدت موجوده شدت سان اظهار ڪيو ويندو آهي. موجوده شدت جي وضاحت ڪئي وئي آهي بجلي جي مقدار جي طور تي گذرڻ واري حصي مان هڪ يونٽ وقت ۾، يعني

We have learned some physical quantities that contain the word “intensity”, such as electric field intensity and magnetic induction intensity. They generally represent the apportionment per unit time, unit area (or unit volume, unit solid angle). However, the word “intensity” in the current intensity does not reflect the current apportionment of the area.

حقيقت ۾، هڪ ٻيو جسماني مقدار موجوده جي علائقي جي ورڇ لاء ذميوار آهي، جيڪو موجوده کثافت آهي.

جيئن ته اليڪٽرڪ ڪرنٽ جو جوهر برقي چارج جي هدايتي حرڪت آهي، تنهن ڪري موجوده شدت ۽ وهڪري جي رفتار جي وچ ۾ هڪ خاص تعلق هجڻ گهرجي!

ھن رشتي کي حاصل ڪرڻ لاءِ، اسان کي پھريائين ھڪڙي تصور-ڪيريئر ڪنسنٽريشن کي واضح ڪرڻ گھرجي، اھو آھي، ھڪڙي يونٽ جي مقدار ۾ ڪيريئرز جو تعداد، جنھن جو اظهار ڪيو ويو آھي .

اهو فرض ڪيو ويو آهي ته ڪنڊڪٽر پار سيڪشن آهي، ڪيريئر ڪنسنٽريشن آهي، drift جي رفتار آهي، ۽ چارج ٿيل چارج آهي.

پوءِ مٿاڇري جي کاٻي پاسي موصل ۾ چارج هوندو آهي، ۽ اهي چارجز هڪ خاص وقت اندر سطح مان گذري ويندا آهن، تنهنڪري

هي موجوده شدت جو هڪ خوردبيني اظهار آهي.

موجوده کثافت ڪرنٽ کي علائقي جي وچ ۾ تقسيم ڪرڻ آهي، تنهنڪري موجوده کثافت جي شدت آهي، پر اها ویکٹر جي طور تي بيان ڪئي وئي آهي، ۽ هدايت مثبت طور تي چارج ٿيل ڪيريئرز جي drift velocity vector جي هدايت آهي، تنهنڪري اليڪٽرانن جي وهڪري ۾. دھات هن رفتار مان حاصل ڪري سگهجي ٿو، هيٺ ڏنل مثال طور.

Consider a copper wire, assuming that each copper atom contributes an electron as a carrier. There is 1 mol of copper, its volume is, molar mass is, density is, then the carrier concentration of the copper wire is

Where is Avogadro’s constant. The density of copper is found, and the value obtained by substituting is about unit/cubic meter.

Assuming that the radius of the copper wire is 0.8mm, the current flowing is 15A, =1.6 C, and the drift velocity of electrons is calculated as

اهو ڏسي سگهجي ٿو ته اليڪٽران جي وهڪري جي رفتار واقعي تمام ننڍي آهي.

For those who study circuits, the above is the complete definition of current.

پر فزڪس ۾، موجوده جي مٿين وصف اصل ۾ صرف هڪ تنگ تعريف آهي. وڌيڪ عام واهه ڪنڊڪٽرن تائين محدود نه آهن، جيستائين برقي چارجز جي حرڪت موجوده آهي. مثال طور، جڏهن هڪ هائڊروجن ايٽم جا اليڪٽران نيوڪليس جي چوڌاري ڦرندا آهن، هڪ برقي ڪرنٽ ان جي مدار ۾ ٺهي ٿو.

فرض ڪريو اليڪٽرانڪ چارج جي مقدار آهي ۽ حرڪت جي مدت آهي. پوءِ هر ڀيري جيڪو گذرندو آهي، ان ۾ چارج جي ايتري وڏي مقدار هوندي آهي جيڪا لوپ جي ڪنهن ڪراس سيڪشن مان گذري ٿي، تنهن ڪري موجوده شدت جو دارومدار دور، فريڪوئنسي ۽ ڪوئلي ويلوسيٽي جي وچ ۾ لاڳاپن تي ٻڌل هوندو آهي، ۽ ڪرنٽ کي به ظاهر ڪري سگهجي ٿو.

For another example, a charged metal disk, rotating around its axis, also forms loop currents with different radii.

هن قسم جو ڪرنٽ هڪ عام وهڪري وارو ڪرنٽ نه آهي ۽ جول گرمي پيدا نٿو ڪري سگهي! هڪ حقيقي سرڪٽ ٺاهي نٿو سگهي.

ٻي صورت ۾، ڇا توهان مون کي حساب ڏينداسين ته هائيڊروجن ايٽم جي اليڪٽرانن پاران في سيڪنڊ ۾ ڪيترو جول گرمي پيدا ٿئي ٿي؟

حقيقت ۾، خلا ۾ موجوده اوهم جي قانون کي پورو نٿو ڪري. ڇاڪاڻ ته، خال ۾ چارج ٿيل ذرات جي حرڪت سان ٺهندڙ برقي ڪرنٽ لاءِ، ڪيريئرز ڌاتوءَ ۾ لٽيس وانگر نه ٽڙيا ويندا آهن، تنهنڪري خال ۾ نه ڪا مزاحمت هوندي آهي ۽ نه ڪا چال.

اليڪٽرڪ چارجز جي حرڪت اليڪٽرڪ ڪرنٽ پيدا ڪري ٿي، ۽ اليڪٽرڪ چارج پاڻ برقي ميدان کي اتساهي ٿو. اهو غلط فهمي جو سبب بڻائڻ آسان آهي. ان ڪري ڪيترن ئي ماڻهن جو خيال آهي ته چارج ٿيل ذرڙن جو برقي ميدان جيڪو اليڪٽرڪ ڪرنٽ ٺاهي ٿو ان کي بي نقاب ٿيڻ گهرجي. پر حقيقت ۾، عام ڪنڊڪٽر ۾ وهڪري جي وهڪري لاءِ، ڪيئرر هڪ پس منظر تي وهن ٿا، جنهن ۾ وڏي تعداد ۾ مثبت چارج ٿيل دھاتي آئنز شامل آهن، ۽ ڪنڊڪٽر پاڻ غير جانبدار آهي!

We often call this kind of special current an “equivalent current”. The equivalent here means that it generates a magnetic field on the same basis as an ordinary conduction current!

Reminder: Do not confuse the “equivalent current” here with the “equivalent circuit” in circuit analysis

In fact, when we first studied the magnetic field, the electric current in Biot-Saffar’s law was the generalized electric current that contained this equivalent current. Of course, the conduction current in Maxwell’s equations also refers to the generalized current.

جن فوٽو اليڪٽرڪ اثر جو مطالعو ڪيو آهي، سي ڄاڻن ٿا ته جڏهن فوٽو اليڪٽران ڪيٿوڊ کان انوڊ ڏانهن وڌي ٿو، جيڪڏهن هوا جي اثر کي نظرانداز ڪيو وڃي، ته اهو ڪرنٽ خال ۾ برقي چارجز جي حرڪت سبب پيدا ٿئي ٿو، ۽ ان ۾ ڪا به مزاحمت نه آهي، تنهن ڪري اوهم جي قانون طرفان پابند نه آهي.

So, is this the only thing about electric current in physics?

No! There are also two types, namely magnetizing current and displacement current.

اهي پڻ ٻه هڪجهڙا واهه آهن، جن جي نالي مان ظاهر آهي ته، مقناطيسيت جي وضاحت لاءِ پڻ متعارف ڪرايا ويا آهن. ٻين لفظن ۾، اهي موجوده “چارج تحريڪ” جي بنيادي خصوصيت کان ڀڄي ويا آهن!

اهو ڪمال آهي! بجليءَ جي چارج واري حرڪت نه آهي، پوءِ ان کي برقي ڪرنٽ ڇو ٿو سڏيو وڃي؟

پريشان نه ٿيو، ۽ منهنجي ڳالهه ٻڌ.

اچو ته پهرين مقناطيسي ڪرنٽ کي ڏسو.

It was found that magnetism is caused by the movement of electricity (not considering the explanation of magnetism by the intrinsic properties of spin for the time being). In order to explain natural magnetism, French physicist Ampere put forward the hypothesis of “molecular circulation”.

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”.

According to the law that the electric current excites the magnetic field, this molecular circulation will produce a physical quantity called magnetic moment. Its size is the area enclosed by the molecular circulation multiplied by the equivalent current of the molecular circulation, and its direction is in a right-handed spiral relationship with the direction of the circulation, namely

Obviously, the direction of the magnetic moment is exactly along the direction of the magnetic field formed by the circulating current

.

Under normal circumstances, the arrangement of the molecular circulation of a substance is chaotic, so the substance is not magnetic, as shown on the left side of the figure below. When subjected to an external magnetic field, these molecular circulations will be approximately neatly arranged. As shown on the right side of the figure below, their magnetic moments are arranged in one direction as much as possible, just like countless small magnetic needles gathered together to form a total magnetic field, and the whole material composed of them becomes magnetic.

فرض ڪريو اتي هڪ سلنڊر مقناطيس آهي، اندروني ماليڪيولر گردش صاف طور تي ترتيب ڏني وئي آهي، ۽ مقناطيسي سيڪشن جي ڪنڊ تي هر سالمياتي گردش جا حصا هڪٻئي سان ڳنڍيل آهن هڪ وڏي گردش ٺاهي ٿي، جيئن هيٺ ڏنل شڪل ۾ ڏيکاريل آهي.

ان جي بنياد تي، اسان اهو سوچي سگهون ٿا ته هڪ بار مقناطيس هڪ متحرڪ سولينائيڊ وانگر آهي. ٻين لفظن ۾، مقناطيس جي مٿاڇري تي هڪ پوشیدہ ڪرنٽ آهي! هن قسم جو موجوده ڳنڍي نه ٿو سگهجي ۽ استعمال ڪيو وڃي. اهو مقناطيس جي مٿاڇري تائين محدود آهي. اسان ان کي سڏين ٿا ”بائنڊنگ ڪرنٽ“ يا ”مقناطيسي ڪرنٽ“.

تنهن ڪري، مقناطيسي ڪرنٽ هڪ ڪرنٽ آهي، ڇاڪاڻ ته اهو ساڳيو آهي جيڪو حقيقي برقي چارجن جي حرڪت سان ٺهندڙ ڪرنٽ آهي، جيڪو برابري سان هڪ مقناطيسي ميدان پيدا ڪري سگهي ٿو!

اچو ته بي گھرڻ واري موجوده کي ٻيهر ڏسو.

Ampere جي لوپ ٿيوريم جي مطابق، بند ٿيل رستي تي مقناطيسي فيلڊ جي طاقت جو انضمام هن رستي جي پابند ٿيل ڪنهن به مڙيل مٿاڇري تي موجوده کثافت جي وهڪري جي برابر آهي، يعني هن نظريي کي رياضي ۾ اسٽوڪس ٿيوريم سڏيو ويندو آهي. اهو اسان کي ٻڌائي ٿو ته ڪنهن به بند رستي سان ویکٹر جو انٽيگرل ان جي ڪرل جي وهڪري جي برابر هجڻ گهرجي (هتي) بند ٿيل رستي سان جڙيل ڪنهن به مٿاڇري تي.

جيئن ته اهو هڪ رياضياتي نظريو آهي، اهو هميشه صحيح هجڻ گهرجي، ڇاڪاڻ ته رياضي هڪ منطقي نظام آهي جنهن تي محور تي ٻڌل آهي.

تنهن ڪري، Ampere Loop Theorem کي هميشه رکڻ گهرجي!

However, the talented Scottish physicist Maxwell discovered that when faced with an unstable current circuit, the Ampere loop theorem was contradictory.

عام طور تي غير مستحڪم ڪرنٽ ڪئپسيٽر جي چارج ۽ خارج ٿيڻ دوران ٿئي ٿو. جيئن هيٺ ڏنل شڪل ۾ ڏيکاريل آهي، ڪيپيسيٽر جي چارج جي مختصر عرصي دوران هڪ غير مستحڪم موجوده آهي.

But the circuit is disconnected between the capacitor plates, which will cause a serious problem.

فرض ڪريو اسان هڪ بند رستي تي غور ڪريون ٿا جيڪو تار کي بائي پاس ڪري ٿو، جيئن هيٺ ڏنل شڪل ۾ ڏيکاريل آهي، C سان نشان لڳل دائرو ۽ ان سان مڙيل مٿاڇري کي بائونڊري طور چونڊجي سگهجي ٿو. شڪل ۾، گول گول جهاز پاڻ کي C پاران بند ڪيو ويو آهي ۽ ڪئپسيٽر جي چوڌاري چونڊيو ويو آهي. کاٻي پليٽ جي وکر مٿاڇري.

گول مٿاڇري جي مطابق، اهو ڏسي سگهجي ٿو ته وکر مٿاڇري جي مطابق، پر مقناطيسي فيلڊ جي طاقت جي لوپ انٽيگرل جي طور تي، ان جي قيمت کي طئي ڪرڻ گهرجي!

ڪيئن ڪجي؟

Maxwell believes that the Ampere’s loop theorem must be established. Now that there is a problem, it must be because a part of the current has not been discovered by us before, but it does exist!

تنهن ڪري، موجوده جي هن حصي کي ڪيئن معلوم ڪرڻ لاء؟

جيئن ته مسئلو پليٽن جي وچ ۾ آهي، پليٽن جي وچ ۾ شروع ڪريو.

Through analysis, Maxwell found that regardless of charging or discharging, there is a physical quantity between the capacitor plates at all times that is synchronized with the magnitude and direction of the current. It is the time derivative of the flux of the electric displacement vector, that is, it is defined as the displacement current.

جيڪڏهن غور ڪيو وڃي ته هي حصو ڪرنٽ جو اهو حصو آهي جيڪو اڳي دريافت نه ڪيو ويو آهي، ته پوءِ مڪمل ڪرنٽ هاڻي آهي. اهو چوڻ آهي ته، جيتوڻيڪ پليٽن جي وچ ۾ سرڪٽ منقطع آهي، برقي بي گھرڻ واري وهڪري جو نڪتل ۽ ڪرنٽ جو مجموعو گڏجي، مجموعي طور تي، هر وقت ڪرنٽ جي تسلسل کي يقيني بڻائي.

پوئين تضاد ڏانهن واپس وڃون ٿا، اسان هاڻي ڄاڻون ٿا ته، اسٽوڪس جي ٿيوريم جي ضرورتن مطابق، بند ٿيل مٿاڇري لاءِ ڪرنٽ کثافت جي وهڪري کي ڳڻڻ وقت، بي گھرڻ واري ڪرنٽ جي کثافت کي به سمجهڻ گهرجي، يعني مڪمل ايمپيئر لوپ. ان ڪري ٿيوريم آهي، هن نئين موجوده جزو کي ”دريافت“ ڪرڻ سان، Ampere Loop Theorem جو بحران حل ٿي ويو آهي!

اهو ئي سبب آهي جو هتي ”تعارف“ استعمال نه ڪيو ويو آهي، پر هتي ”دڪشش“ استعمال ٿيل آهي. مان ڇا تي زور ڏيڻ چاهيان ٿو ته هن قسم جو موجوده هڪ رياضياتي معاوضو نه آهي، پر هڪ حقيقي شيء آهي، پر اهو اڳ ۾ دريافت نه ڪيو ويو آهي.

اهو پهرين جڳهه ۾ ڇو موجود آهي؟ ڇاڪاڻ ته اهو ڪم ڪري ٿو اليڪٽرڪ ڪرنٽ وانگر، جيئن ونڊڪشن ڪرنٽ، اهو مقناطيسي ميدان کي برابريءَ سان اتساهه ڏئي ٿو، سواءِ ان جي ته بجليءَ جي چارجز جي ڪا حرڪت نه آهي، نه تار جي ضرورت آهي، ۽ نه ئي جول گرمي پيدا ٿي سگهي ٿي، تنهنڪري ان کي نظرانداز ڪيو ويو آهي!

پر اهو اصل ۾ پاڻ وٽ موجود آهي، صرف هڪ گهٽ پروفائل رکو، اهو خاموشيء سان مقناطيسي فيلڊ کي هر وقت دلچسپ ڪيو ويو آهي!

In other words, when we face a magnetic field, the original definition of current is too narrow. The essence of electric current is not the movement of electric charge, it should be something that can excite a magnetic field.

هينئر تائين، موجوده جا ڪيترائي روپ متعارف ڪرايا ويا آهن. اهي سڀئي مقصدي طور تي موجود آهن، ۽ جيڪي انهن ۾ مشترڪ آهن اهو آهي ته سڀئي وهڪرو مقناطيسي ميدان کي هڪجهڙائي سان اتساهه ڏئي سگهن ٿا.