Cila është rryma elektrike? Kujtoni së pari, cili është përkufizimi i rrymës që kemi mësuar?

Thjesht, lëvizja e drejtuar e grimcave të ngarkuara në një përcjellës është një rrymë elektrike.

Vetëm kur një substancë ka grimca të ngarkuara që mund të lëvizin lirshëm, ajo mund të transmetojë rrymë elektrike – domethënë të përçojë elektricitetin. Këto grimca të ngarkuara që marrin pjesë në përçueshmëri quhen bartës. Për metalet, për shembull, vetëm elektronet e jashtme të atomeve mund të veprojnë si bartës.

“Lëvizja e drejtuar” në përkufizimin e rrymës elektrike shpesh keqkuptohet. Shumë njerëz mendojnë se i referohet lëvizjes me një drejtim të caktuar, sigurisht jo! A nuk ndryshon drejtimi i lëvizjes së elektroneve në qarkun AC?

Në fakt, orientimi është relativ me “lëvizjen e rastësishme”!

Meqenëse elektronet janë grimca mikroskopike, ato duhet të jenë gjatë gjithë kohës në lëvizje termike. Lëvizja termike është një lëvizje e rastësishme, siç tregohet në figurën më poshtë.

Kjo lëvizje është në fakt shumë e shpejtë. Për shembull, në metalet në temperaturën e dhomës, shpejtësia e lëvizjes termike elektronike është në rendin e qindra kilometrave në sekondë!

Nëse shikoni nga afër këtë lëvizje të rastësishme, do të zbuloni se drejtimi i lëvizjes së secilës grimcë është i rastësishëm në çdo moment. Nëse mbledhni vektorët e shpejtësisë së këtyre grimcave, rezultati është pothuajse zero.

Tani shtoni një fushë elektrike përçuesit dhe elektroni mbivendos një lëvizje të drejtuar në bazë të lëvizjes së rastësishme. Duke supozuar se fusha elektrike është në të majtë për një periudhë të caktuar kohe, lëvizja e elektroneve duket si më poshtë. Topat e kuq përfaqësojnë atomet metalike në rrjetën kristalore, dhe pikat që lëvizin shpejt përfaqësojnë elektronet e lira.

Does it look fast? That’s because electronic movement is really fast! But in fact, the random motion, which accounts for a large proportion of it, does not contribute to the current. When the random motion is eliminated, the rest is just like the slow look below.

Në të vërtetë, lëvizja e drejtuar e elektroneve është shumë më e ngadaltë se shpejtësia e lëvizjes termike. Kjo lëvizje “bluarëse” e elektroneve quhet drift, ose “drift”. Ndonjëherë, elektronet do të shkojnë në drejtim të kundërt për shkak të përplasjeve me atomet. Por në përgjithësi, elektronet lëvizin në një drejtim.

Nëse fusha elektrike ndryshon drejtimin, edhe drejtimi i zhvendosjes së elektroneve do të ndryshojë.

Prandaj, kjo lloj lëvizje drejtimi do të thotë që shuma e shpejtësive të të gjitha elektroneve që marrin pjesë në përcjelljen në një kohë të caktuar nuk është zero, por në përgjithësi është në një drejtim të caktuar. Ky drejtim mund të ndryshohet në çdo kohë, dhe ky është rasti i rrymës alternative.

Prandaj, rryma nuk është aq shumë “lëvizja e drejtuar” e ngarkesës elektrike sa është “lëvizja kolektive” e ngarkesës elektrike.

Madhësia e rrymës në përcjellës shprehet me intensitetin e rrymës. Intensiteti i rrymës përcaktohet si sasia e energjisë elektrike që kalon nëpër seksionin tërthor të përcjellësit në një njësi të kohës, përkatësisht

Ne kemi mësuar disa sasi fizike që përmbajnë fjalën “intensitet”, si intensiteti i fushës elektrike dhe intensiteti i induksionit magnetik. Ato në përgjithësi përfaqësojnë ndarjen për njësi të kohës, njësi sipërfaqe (ose njësi vëllimi, njësi këndi të ngurtë). Megjithatë, fjala “intensitet” në intensitetin aktual nuk pasqyron ndarjen aktuale të zonës.

Në fakt, një sasi tjetër fizike është përgjegjëse për shpërndarjen e rrymës në zonë, që është dendësia e rrymës.

Meqenëse thelbi i rrymës elektrike është lëvizja e drejtuar e ngarkesës elektrike, duhet të ketë një lidhje të caktuar midis intensitetit të rrymës dhe shpejtësisë së lëvizjes!

Për të marrë këtë marrëdhënie, fillimisht duhet të sqarojmë një përqendrim koncept-bartës, domethënë numrin e bartësve në një vëllim njësi, i cili shprehet me .

Supozohet se seksioni kryq i përcjellësit është, përqendrimi i bartësit është, shpejtësia e lëvizjes është dhe ngarkesa e ngarkuar është.

Atëherë ngarkesa në përcjellësin në anën e majtë të sipërfaqes është, dhe këto ngarkesa do të kalojnë nëpër sipërfaqe brenda një periudhe të caktuar kohore, kështu që

Kjo është një shprehje mikroskopike e intensitetit të rrymës.

Dendësia e rrymës është ndarja e rrymës në sipërfaqe, kështu që madhësia e densitetit të rrymës është, por ajo përcaktohet si një vektor, dhe drejtimi është drejtimi i vektorit të shpejtësisë së lëvizjes së bartësve të ngarkuar pozitivisht, kështu që zhvendosja e elektroneve në metali mund të merret nga kjo Shpejtësi, si shembull më poshtë.

Konsideroni një tel bakri, duke supozuar se çdo atom bakri kontribuon me një elektron si bartës. Ka 1 mol bakër, vëllimi i tij është, masa molare është, dendësia është, atëherë përqendrimi bartës i telit të bakrit është

Ku është konstantja e Avogadros. Gjendet dendësia e bakrit dhe vlera e përftuar nga zëvendësimi është rreth njësi/metër kub.

Duke supozuar se rrezja e telit të bakrit është 0.8 mm, rryma që rrjedh është 15A, =1.6 C, dhe shpejtësia e lëvizjes së elektroneve llogaritet si

Mund të shihet se shpejtësia e lëvizjes së elektroneve është me të vërtetë shumë e vogël.

Për ata që studiojnë qarqet, sa më sipër është përkufizimi i plotë i rrymës.

Por në fizikë, përkufizimi i mësipërm i rrymës është në fakt vetëm një përkufizim i ngushtë. Rrymat më të përgjithshme nuk kufizohen vetëm tek përçuesit, përderisa lëvizja e ngarkesave elektrike është aktuale. Për shembull, kur elektronet e një atomi hidrogjeni lëvizin rreth bërthamës, në orbitën e tij formohet një rrymë elektrike.

Supozoni se sasia e ngarkesës elektronike është dhe periudha e lëvizjes është. Pastaj sa herë që kalon, ka një sasi kaq të madhe ngarkese që kalon nëpër çdo seksion kryq të lakut, kështu që intensiteti i rrymës bazohet në marrëdhënien midis periudhës, frekuencës dhe shpejtësisë këndore, dhe rryma mund të shprehet gjithashtu si

Për një shembull tjetër, një disk metalik i ngarkuar, duke rrotulluar rreth boshtit të tij, gjithashtu formon rryma lakore me rreze të ndryshme.

Kjo lloj rryme nuk është një rrymë normale përcjellëse dhe nuk mund të gjenerojë nxehtësi Xhaul! Nuk mund të formojë një qark të vërtetë.

Përndryshe, a do të më jepni një llogaritje se sa nxehtësi joul gjenerohet në sekondë nga elektronet e atomit të hidrogjenit?

Në fakt, rryma në vakum nuk e plotëson ligjin e Ohm-it. Sepse, për rrymën elektrike të formuar nga lëvizja e grimcave të ngarkuara në vakum, bartësit nuk përplasen ngjashëm me rrjetën në metal, kështu që vakuumi nuk ka rezistencë dhe nuk ka përçueshmëri.

Lëvizja e ngarkesave elektrike gjeneron rrymë elektrike, dhe vetë ngarkesa elektrike ngacmon fushën elektrike. Kjo është e lehtë për të shkaktuar një keqkuptim. Prandaj, shumë njerëz mendojnë se fusha elektrike e grimcave të ngarkuara që formojnë rrymën elektrike duhet të ekspozohet. Por në fakt, për rrymën e përcjelljes në një përcjellës të përgjithshëm, transportuesit rrjedhin në një sfond të përbërë nga një numër i madh i joneve metalike të ngarkuar pozitivisht, dhe vetë përcjellësi është neutral!

Ne shpesh e quajmë këtë lloj rryme speciale një “rrymë ekuivalente”. Ekuivalenti këtu do të thotë se gjeneron një fushë magnetike në të njëjtën bazë si një rrymë e zakonshme përcjellëse!

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

Në fakt, kur studiuam për herë të parë fushën magnetike, rryma elektrike në ligjin e Biot-Saffar ishte rryma elektrike e përgjithësuar që përmbante këtë rrymë ekuivalente. Natyrisht, rryma e përcjelljes në ekuacionet e Maxwell i referohet gjithashtu rrymës së përgjithësuar.

Those who have studied the photoelectric effect know that when the photoelectron drifts from the cathode to the anode, if the influence of air is ignored, this current is caused by the movement of electric charges in the vacuum, and there is no resistance, so it is not restricted by Ohm’s law.

Pra, a është kjo e vetmja gjë në lidhje me rrymën elektrike në fizikë?

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

They are also two equivalent currents, which, as the name suggests, are also introduced to explain magnetism. In other words, they have broken away from the basic characteristic of the current “charge movement”!

Kjo është e mahnitshme! Nuk ka lëvizje të ngarkesës elektrike, prandaj pse mund të quhet rrymë elektrike?

Mos u shqetëso dhe më dëgjo ngadalë.

Let’s look at the magnetizing current first.

U zbulua se magnetizmi shkaktohet nga lëvizja e elektricitetit (duke mos marrë parasysh shpjegimin e magnetizmit nga vetitë e brendshme të rrotullimit për momentin). Për të shpjeguar magnetizmin natyror, fizikani francez Ampere parashtroi hipotezën e “qarkullimit molekular”.

Siç tregohet në figurën më poshtë, çdo atom ose molekulë mund të konsiderohet se ka një ngarkesë elektrike që rrotullohet rreth qendrës, duke formuar një rrymë të vogël lakore, domethënë “qarkullim molekular”.

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

Natyrisht, drejtimi i momentit magnetik është pikërisht përgjatë drejtimit të fushës magnetike të formuar nga rryma qarkulluese

.

Në rrethana normale, rregullimi i qarkullimit molekular të një lënde është kaotik, kështu që substanca nuk është magnetike, siç tregohet në anën e majtë të figurës më poshtë. Kur i nënshtrohen një fushe magnetike të jashtme, këto qarkullime molekulare do të rregullohen afërsisht mirë. Siç tregohet në anën e djathtë të figurës më poshtë, momentet e tyre magnetike janë të rregulluara në një drejtim sa më shumë që të jetë e mundur, ashtu si gjilpërat e panumërta të vogla magnetike të mbledhura së bashku për të formuar një fushë magnetike totale, dhe i gjithë materiali i përbërë prej tyre bëhet magnetik.

Supozoni se ekziston një magnet cilindrik, qarkullimi i brendshëm molekular është rregulluar mirë dhe seksionet e çdo qarkullimi molekular në skajin e seksionit të magnetit janë të lidhura së bashku për të formuar një qarkullim të madh, siç tregohet në figurën më poshtë.

Based on this, we can think that a bar magnet is like an energized solenoid. In other words, there is an invisible current entangled on the surface of the magnet! This kind of current cannot be connected and used. It is confined to the surface of the magnet. We call it “binding current” or “magnetizing current”.

Prandaj, rryma magnetizuese është një rrymë, sepse është e njëjtë me rrymën e formuar nga lëvizja e ngarkesave elektrike reale, e cila në mënyrë ekuivalente mund të gjenerojë një fushë magnetike!

Le të shohim përsëri rrymën e zhvendosjes.

Sipas teoremës së lakut të Amperit, integrali i forcës së fushës magnetike në një shteg të mbyllur është i barabartë me fluksin e densitetit të rrymës në çdo sipërfaqe të lakuar të kufizuar nga kjo shteg, domethënë kjo teoremë quhet teorema e Stokes në matematikë. Ai na tregon se integrali i një vektori përgjatë çdo shteg të mbyllur duhet të jetë i barabartë me fluksin e kaçurrelës së tij (këtu) në çdo sipërfaqe të kufizuar nga shtegu i mbyllur.

Meqenëse është një teoremë matematikore, ajo duhet të jetë gjithmonë e saktë, sepse matematika është një sistem logjik i bazuar në aksioma.

Prandaj, teorema e lakut të Amperit duhet të qëndrojë gjithmonë!

Megjithatë, fizikani i talentuar skocez Maxwell zbuloi se kur u përball me një qark të paqëndrueshëm të rrymës, teorema e lakut të Amperit ishte kontradiktore.

Rryma tipike e paqëndrueshme ndodh gjatë ngarkimit dhe shkarkimit të kondensatorit. Siç tregohet në figurën më poshtë, ka një rrymë të paqëndrueshme gjatë periudhës së shkurtër të ngarkimit të kondensatorit.

Por qarku është shkëputur midis pllakave të kondensatorit, gjë që do të shkaktojë një problem serioz.

Supozoni se konsiderojmë një shteg të mbyllur që anashkalon telin, siç tregohet në figurën më poshtë, rrethi i shënuar me C dhe sipërfaqja e lakuar me të si kufi mund të zgjidhen në mënyrë arbitrare. Në figurë, zgjidhet rrafshi rrethor i mbyllur nga vetë C dhe në të gjithë kondensatorin. Sipërfaqja e lakuar e pllakës së majtë.

Sipas sipërfaqes rrethore, shihet se sipas sipërfaqes së lakuar, por si integral unazor i fuqisë së fushës magnetike, duhet përcaktuar vlera e saj!

Si të bëhet?

Maxwell beson se teorema e lakut të Amperit duhet të vendoset. Tani që ka një problem, duhet të jetë sepse një pjesë e rrymës nuk është zbuluar nga ne më parë, por ekziston!

So, how to find out this part of the current?

Meqenëse problemi është midis pllakave, filloni nga midis pllakave.

Nëpërmjet analizave, Maxwell zbuloi se pavarësisht nga ngarkimi ose shkarkimi, ekziston një sasi fizike midis pllakave të kondensatorit në çdo kohë që sinkronizohet me madhësinë dhe drejtimin e rrymës. Është derivati ​​kohor i fluksit të vektorit të zhvendosjes elektrike, domethënë përkufizohet si rryma e zhvendosjes.

Nëse konsiderohet se kjo pjesë është pjesa e rrymës që nuk është zbuluar më parë, atëherë rryma e plotë është tani. Kjo do të thotë, megjithëse qarku midis pllakave është i shkëputur, derivati ​​i fluksit të zhvendosjes elektrike dhe shuma e rrymës së bashku, në tërësi, sigurojnë vazhdimësinë e rrymës në çdo kohë.

Going back to the previous contradiction, we now know that, according to the requirements of Stokes’ theorem, when calculating the flux of current density for a closed surface, the density of displacement current should also be considered, that is, the complete ampere loop theorem is therefore, By “discovering” this new current component, the crisis of the Ampere Loop Theorem is resolved!

Arsyeja pse këtu nuk përdoret “hyrja”, por këtu përdoret “zbulimi”. Ajo që dua të theksoj është se kjo lloj rryme nuk është një kompensim matematikor, por një gjë reale, por nuk është zbuluar më parë.

Pse ekziston në radhë të parë? Për shkak se vepron si një rrymë elektrike, si një rrymë përcjellëse, ajo ngacmon një fushë magnetike në mënyrë ekuivalente, përveç se nuk ka lëvizje të ngarkesave elektrike, nuk kërkohet tela dhe nuk mund të gjenerohet nxehtësi Joule, kështu që është injoruar!

Por në të vërtetë ekziston vetvetiu, thjesht mbani një profil të ulët, ai ka emocionuar në heshtje fushën magnetike atje gjatë gjithë kohës!

Me fjalë të tjera, kur përballemi me një fushë magnetike, përkufizimi origjinal i rrymës është shumë i ngushtë. Thelbi i rrymës elektrike nuk është lëvizja e ngarkesës elektrike, ajo duhet të jetë diçka që mund të ngacmojë një fushë magnetike.

Deri më tani, janë prezantuar disa forma të rrymës. Ato ekzistojnë të gjitha objektivisht, dhe e përbashkëta e tyre është se të gjitha rrymat mund të ngacmojnë njësoj fushën magnetike.