Kaj je električni tok? Najprej se spomnite, kaj je definicija toka, ki smo se jo naučili?

Preprosto, smerno gibanje nabitih delcev v prevodniku je električni tok.

Šele ko ima snov nabite delce, ki se lahko prosto gibljejo, lahko oddaja električni tok – torej prevaja elektriko. Ti nabiti delci, ki sodelujejo pri prevodnosti, se imenujejo nosilci. Pri kovinah lahko na primer kot nosilci delujejo samo zunanji elektroni atomov.

“Smerno gibanje” v definiciji električnega toka je pogosto napačno razumljeno. Mnogi ljudje mislijo, da se nanaša na gibanje z določeno smerjo, seveda ne! Ali se smer gibanja elektronov v izmeničnem tokokrogu ne spremeni?

Pravzaprav je orientacija sorazmerna z “naključnim gibanjem”!

Ker so elektroni mikroskopski delci, morajo biti ves čas v toplotnem gibanju. Toplotno gibanje je naključno gibanje, kot je prikazano na spodnji sliki.

To gibanje je pravzaprav zelo hitro. Na primer, pri kovinah pri sobni temperaturi je hitrost elektronskega toplotnega gibanja reda več sto kilometrov na sekundo!

Če natančno pogledate to naključno gibanje, boste ugotovili, da je smer gibanja vsakega delca v vsakem trenutku naključna. Če seštejete vektorje hitrosti teh delcev, je rezultat skoraj nič.

Zdaj dodajte električno polje prevodniku in elektron prekriva usmerjeno gibanje na podlagi naključnega gibanja. Ob predpostavki, da je električno polje določeno časovno obdobje levo, je gibanje elektronov videti takole. Rdeče kroglice predstavljajo kovinske atome na kristalni mreži, hitro premikajoče se pike pa proste elektrone.

Ali izgleda hitro? To je zato, ker je elektronsko gibanje res hitro! Toda v resnici naključno gibanje, ki predstavlja velik delež, ne prispeva k toku. Ko je naključno gibanje odpravljeno, je ostalo tako kot počasen pogled spodaj.

Dejansko je usmerjeno gibanje elektronov veliko počasnejše od hitrosti toplotnega gibanja. To “mletje” gibanje elektronov se imenuje drift ali “drift”. Včasih bodo elektroni zaradi trkov z atomi tekli v nasprotni smeri. Toda na splošno se elektroni premikajo v eno smer.

Če električno polje spremeni smer, se bo spremenila tudi smer premikanja elektronov.

Zato tovrstno usmerjeno gibanje pomeni, da vsota hitrosti vseh elektronov, ki sodelujejo pri prevodnosti v določenem času, ni nič, ampak je na splošno v določeni smeri. To smer lahko kadar koli spremenite, in to v primeru izmeničnega toka.

Zato tok ni toliko »smerno gibanje« električnega naboja, kot »skupno gibanje« električnega naboja.

Velikost toka v prevodniku je izražena z jakostjo toka. Intenzivnost toka je opredeljena kot količina električne energije, ki preide skozi prerez prevodnika v enoti časa, tj.

Naučili smo se nekaj fizikalnih veličin, ki vsebujejo besedo »intenziteta«, kot sta jakost električnega polja in jakost magnetne indukcije. Na splošno predstavljajo porazdelitev na enoto časa, enoto površine (ali enoto prostornine, enotni trdni kot). Vendar pa beseda “intenzivnost” v trenutni intenzivnosti ne odraža trenutne porazdelitve območja.

Pravzaprav je za porazdelitev toka na območje odgovorna druga fizična količina, to je gostota toka.

Ker je bistvo električnega toka usmerjeno gibanje električnega naboja, mora obstajati določeno razmerje med jakostjo toka in hitrostjo premikanja!

Da bi dobili to razmerje, moramo najprej razjasniti koncentracijo nosilca koncepta, to je število nosilcev v enoti prostornine, ki je izraženo z .

Predpostavlja se, da je presek prevodnika, koncentracija nosilcev je, hitrost odnašanja je in nabit naboj je.

Potem je naboj v prevodniku na levi strani površine in ti naboji bodo v določenem časovnem obdobju prešli skozi površino, torej

To je mikroskopski izraz jakosti toka.

Gostota toka je porazdelitev toka na površino, tako da je velikost gostote toka, vendar je opredeljena kot vektor, smer pa je smer vektorja hitrosti odmika pozitivno nabitih nosilcev, tako da premik elektronov v kovino lahko dobite iz te hitrosti, kot je spodnji primer.

Razmislite o bakreni žice, ob predpostavki, da vsak atom bakra prispeva elektron kot nosilec. Obstaja 1 mol bakra, njegova prostornina je, molska masa je, gostota je, potem je nosilna koncentracija bakrene žice

Kje je Avogadrova konstanta. Najdemo gostoto bakra, vrednost, ki jo dobimo z zamenjavo, pa je približno enota/kubični meter.

Ob predpostavki, da je polmer bakrene žice 0.8 mm, je tok 15 A, =1.6 C, hitrost premikanja elektronov pa se izračuna kot

Vidimo lahko, da je hitrost premikanja elektronov res zelo majhna.

Za tiste, ki preučujejo vezja, je zgoraj popolna definicija toka.

Toda v fiziki je zgornja definicija toka pravzaprav le ozka definicija. Bolj splošni tokovi niso omejeni na prevodnike, dokler je gibanje električnih nabojev tokovno. Na primer, ko se elektroni vodikovega atoma premikajo okoli jedra, se v njegovi orbiti tvori električni tok.

Recimo, da je količina elektronskega naboja in obdobje gibanja je. Potem vsakič, ko ta preteče, skozi kateri koli prečni prerez zanke preide tako velika količina naboja, zato je jakost toka osnovana na razmerju med periodo, frekvenco in kotno hitrostjo, tok pa lahko izrazimo tudi kot

Za drug primer, nabit kovinski disk, ki se vrti okoli svoje osi, prav tako tvori zančne tokove z različnimi polmeri.

Ta vrsta toka ni običajen prevodni tok in ne more ustvariti Joulove toplote! Ne more tvoriti pravega vezja.

Sicer bi mi dal izračun, koliko joulov toplote na sekundo ustvarijo elektroni vodikovega atoma?

Pravzaprav tok v vakuumu ne izpolnjuje Ohmovega zakona. Ker se pri električnem toku, ki nastane s gibanjem nabitih delcev v vakuumu, nosilci ne trčijo podobno kot rešetka v kovini, zato vakuum nima upora in prevodnosti.

Gibanje električnih nabojev ustvarja električni tok, sam električni naboj pa vzbuja električno polje. To je enostavno povzročiti nesporazum. Mnogi zato mislijo, da je treba izpostaviti električno polje nabitih delcev, ki tvorijo električni tok. Toda v resnici za prevodni tok v splošnem prevodniku nosilci tečejo na ozadju, sestavljenem iz velikega števila pozitivno nabitih kovinskih ionov, sam prevodnik pa je nevtralen!

To vrsto posebnega toka pogosto imenujemo “ekvivalentni tok”. Enakovredno tukaj pomeni, da generira magnetno polje na enaki osnovi kot običajni prevodni tok!

Opomnik: Ne zamenjujte “ekvivalentnega toka” tukaj z “ekvivalentnim vezjem” v analizi vezja

Pravzaprav, ko smo prvič preučevali magnetno polje, je bil električni tok v Biot-Saffarjevem zakonu posplošen električni tok, ki je vseboval ta enakovredni tok. Seveda se prevodni tok v Maxwellovih enačbah nanaša tudi na posplošen tok.

Tisti, ki so preučevali fotoelektrični učinek, vedo, da ko fotoelektron odnaša s katode na anodo, če zanemarimo vpliv zraka, ta tok povzroči gibanje električnih nabojev v vakuumu in ni upora, zato je ni omejena z Ohmovim zakonom.

Torej, ali je to edina stvar o električnem toku v fiziki?

Ne! Obstajata tudi dve vrsti, in sicer magnetni tok in tok premika.

Gre tudi za dva enakovredna toka, ki sta, kot že ime pove, uvedena tudi za razlago magnetizma. Z drugimi besedami, odtrgali so se od osnovne značilnosti trenutnega »gibanja naboja«!

To je neverjetno! Ni gibanja električnega naboja, zakaj ga torej lahko imenujemo električni tok?

Ne skrbi in me počasi poslušaj.

Najprej si oglejmo magnetni tok.

Ugotovljeno je bilo, da magnetizem povzroča gibanje elektrike (zaenkrat ne upoštevamo razlage magnetizma z intrinzičnimi lastnostmi spina). Da bi pojasnil naravni magnetizem, je francoski fizik Ampere postavil hipotezo o “molekularnem kroženju”.

Kot je prikazano na spodnji sliki, lahko za kateri koli atom ali molekulo štejemo, da ima električni naboj, ki se vrti okoli središča in tvori majhen tok zanke, to je “molekularno kroženje”.

Po zakonu, da električni tok vzbuja magnetno polje, bo ta molekularna cirkulacija proizvedla fizikalno količino, imenovano magnetni moment. Njegova velikost je površina, ki jo obdaja molekularna cirkulacija, pomnožena z enakovrednim tokom molekularne cirkulacije, njena smer pa je v desni spiralni zvezi s smerjo cirkulacije, tj.

Očitno je smer magnetnega momenta točno vzdolž smeri magnetnega polja, ki ga tvori krožni tok

.

V normalnih okoliščinah je razporeditev molekularnega kroženja snovi kaotična, zato snov ni magnetna, kot je prikazano na levi strani spodnje slike. Ko so izpostavljeni zunanjemu magnetnemu polju, bodo te molekularne cirkulacije približno lepo urejene. Kot je prikazano na desni strani spodnje slike, so njihovi magnetni momenti čim bolj razporejeni v eno smer, tako kot nešteto majhnih magnetnih igel, zbranih skupaj, da tvorijo skupno magnetno polje, in celoten material, sestavljen iz njih, postane magneten.

Recimo, da obstaja valjast magnet, notranja molekularna cirkulacija je lepo urejena in odseki vsake molekularne cirkulacije na robu magnetnega odseka so povezani skupaj, da tvorijo veliko cirkulacijo, kot je prikazano na spodnji sliki.

Na podlagi tega lahko mislimo, da je palični magnet kot solenoid pod napetostjo. Z drugimi besedami, na površini magneta je zapleten neviden tok! Tega toka ni mogoče povezati in uporabiti. Omejen je na površino magneta. Imenujemo ga “vezni tok” ali “magnetizirajoči tok”.

Zato je magnetni tok tok, ker je enak toku, ki nastane s gibanjem resničnih električnih nabojev, ki lahko enakovredno generirajo magnetno polje!

Poglejmo si še enkrat premični tok.

Po izreku Amperove zanke je integral jakosti magnetnega polja na zaprti poti enak toku gostote toka na kateri koli ukrivljeni površini, omejeni s to potjo, to pomeni, da se ta izrek v matematiki imenuje Stokesov izrek. Pove nam, da mora biti integral vektorja vzdolž katere koli zaprte poti enak toku njegovega zvitka (tukaj) na katero koli površino, omejeno z zaprto potjo.

Ker je matematični izrek, mora biti vedno pravilen, saj je matematika logični sistem, ki temelji na aksiomih.

Zato mora izrek Amperove zanke vedno veljati!

Vendar je nadarjeni škotski fizik Maxwell odkril, da je bil izrek Amperove zanke, ko se sooči z nestabilnim tokovnim vezjem, protisloven.

Tipičen nestabilen tok se pojavi med polnjenjem in praznjenjem kondenzatorja. Kot je prikazano na spodnji sliki, je med kratkim obdobjem polnjenja kondenzatorja nestabilen tok.

Toda vezje je odklopljeno med kondenzatorskimi ploščami, kar bo povzročilo resno težavo.

Recimo, da upoštevamo zaprto pot, ki obide žico, kot je prikazano na spodnji sliki, krog, označen s C, in ukrivljeno površino z njo kot mejo lahko poljubno izberemo. Na sliki je izbrana krožna ravnina, ki jo obdaja C sam in čez kondenzator. Ukrivljena površina leve plošče.

Glede na krožno površino je razvidno, da je treba glede na ukrivljeno površino, vendar kot integral zanke jakosti magnetnega polja, določiti njeno vrednost!

Kako to storiti?

Maxwell meni, da je treba vzpostaviti izrek Amperove zanke. Zdaj, ko je problem, mora biti zato, ker dela toka še nismo odkrili, vendar obstaja!

Torej, kako najti ta del toka?

Ker je težava med ploščami, začnite med ploščami.

Z analizo je Maxwell ugotovil, da ne glede na polnjenje ali praznjenje med ploščami kondenzatorja ves čas obstaja fizična količina, ki je sinhronizirana z velikostjo in smerjo toka. Je časovni odvod toka vektorja električnega premika, torej je opredeljen kot premični tok.

Če štejemo, da je ta del del toka, ki prej ni bil odkrit, potem je popoln tok zdaj. Se pravi, čeprav je vezje med ploščami izklopljeno, derivat električnega toka premika in vsota toka skupaj, kot celota, zagotavljata neprekinjenost toka ves čas.

Če se vrnemo k prejšnjemu protislovju, zdaj vemo, da je treba v skladu z zahtevami Stokesovega izreka pri izračunu pretoka gostote toka za zaprto površino upoštevati tudi gostoto potisnega toka, to je popolno ampersko zanko izrek je torej, Z “odkrivanjem” te nove trenutne komponente je kriza izreka Amperove zanke rešena!

Razlog, zakaj se tukaj ne uporablja “uvod”, ampak “odkritje”. Kar želim poudariti je, da tovrstni tok ni matematična kompenzacija, ampak resnična stvar, ki pa še ni bila odkrita.

Zakaj sploh obstaja? Ker deluje kot električni tok, kot prevodni tok, enakovredno vzbuja magnetno polje, le da ni gibanja električnih nabojev, ni potrebna žica in ni mogoče ustvariti Joulove toplote, zato je bilo prezrto!

Ampak v resnici obstaja samo po sebi, le pritajite se, ves čas je tiho vzbujalo tamkajšnje magnetno polje!

Z drugimi besedami, ko se soočamo z magnetnim poljem, je prvotna definicija toka preozka. Bistvo električnega toka ni gibanje električnega naboja, mora biti nekaj, kar lahko vzbudi magnetno polje.

Doslej je bilo uvedenih več oblik toka. Vsi obstajajo objektivno, skupno pa jim je, da lahko vsi tokovi enako vzbujajo magnetno polje.