Шта је електрична струја? Прво да се подсетимо, која је дефиниција струје коју смо научили?

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

Само када супстанца има наелектрисане честице које се могу слободно кретати, она може да преноси електричну струју – то јест, спроводи електричну енергију. Ове наелектрисане честице које учествују у проводљивости називају се носачи. За метале, на пример, само спољашњи електрони атома могу деловати као носиоци.

„Смерно кретање“ у дефиницији електричне струје често се погрешно схвата. Многи људи мисле да се то односи на кретање у одређеном правцу, наравно не! Да ли се смер кретања електрона у струјном колу наизменичне струје не мења?

In fact, orienteering is relative to “random movement”!

Since electrons are microscopic particles, they must be in thermal motion all the time. Thermal motion is a random motion, as shown in the figure below.

Овај покрет је заправо веома брз. На пример, у металима на собној температури, брзина електронског термичког кретања је реда величине стотина километара у секунди!

Ако пажљиво погледате ово насумично кретање, видећете да је смер кретања сваке честице насумичан у сваком тренутку. Ако саберете векторе брзина ових честица, резултат је скоро нула.

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.

Да ли изгледа брзо? То је зато што је електронско кретање заиста брзо! Али у ствари, насумично кретање, које чини велики део тога, не доприноси струји. Када се елиминише насумични покрет, остатак је као спори изглед испод.

Заиста, усмерено кретање електрона је много спорије од брзине топлотног кретања. Ово „мљевено“ кретање електрона назива се дрифт, или „дрифт“. Понекад ће електрони трчати у супротном смеру због судара са атомима. Али генерално, електрони се крећу у једном правцу.

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

Дакле, ова врста усмереног кретања значи да збир брзина свих електрона који учествују у проводљивости у одређено време није нула, већ је генерално у одређеном правцу. Овај правац се може променити у било ком тренутку, а то је случај наизменичне струје.

Therefore, current is not so much the “directional movement” of electric charge as it is the “collective movement” of electric charge.

Величина струје у проводнику се изражава јачином струје. Интензитет струје се дефинише као количина електричне енергије која прође кроз попречни пресек проводника у јединици времена, тј.

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.

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

Since the essence of electric current is the directional movement of electric charge, there must be a certain relationship between current intensity and drift speed!

Да бисмо добили овај однос, прво морамо да разјаснимо концентрацију носиоца концепта, то јест, број носача у јединичној запремини, који је изражен са .

It is assumed that the conductor cross section is, the carrier concentration is, the drift velocity is, and the charged charge is.

Тада је наелектрисање у проводнику на левој страни површине, и ова наелектрисања ће проћи кроз површину у одређеном временском периоду, тако да

Ово је микроскопски израз интензитета струје.

Current density is the apportionment of current to area, so the magnitude of current density is, but it is defined as a vector, and the direction is the direction of the drift velocity vector of the positively charged carriers, so the drift of electrons in the metal can be obtained from this Speed, as an example below.

Замислите бакарну жицу, под претпоставком да сваки атом бакра доприноси електрону као носачу. Постоји 1 мол бакра, његова запремина је, моларна маса је, густина је, тада је концентрација носача бакарне жице

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

Под претпоставком да је полупречник бакарне жице 0.8 мм, струја која тече је 15 А, =1.6 Ц, а брзина дрифта електрона се израчунава као

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

За оне који проучавају кола, горе је потпуна дефиниција струје.

But in physics, the above definition of current is actually only a narrow definition. More general currents are not limited to conductors, as long as the movement of electric charges is current. For example, when the electrons of a hydrogen atom move around the nucleus, an electric current is formed in its orbit.

Suppose the amount of electronic charge is and the period of movement is. Then every time that elapses, there is such a large amount of charge passing through any cross section of the loop, so the current intensity is based on the relationship between period, frequency and angular velocity, and the current can also be expressed as

На пример, наелектрисани метални диск, који се окреће око своје осе, такође формира струје у петљи различитих полупречника.

Ова врста струје није нормална струја проводљивости и не може да генерише џулову топлоту! Не може формирати право коло.

Otherwise, would you give me a calculation of how much joule heat is generated per second by the electrons of the hydrogen atom?

У ствари, струја у вакууму не задовољава Охмов закон. Јер, за електричну струју која настаје кретањем наелектрисаних честица у вакууму, носачи се не сударају слично решетки у металу, па вакуум нема отпор и проводљивост.

Кретање електричних наелектрисања генерише електричну струју, а сам електрични набој побуђује електрично поље. Ово је лако изазвати неспоразум. Многи људи стога мисле да електрично поље наелектрисаних честица које формирају електричну струју мора бити изложено. Али у ствари, за струју проводљивости у општем проводнику, носиоци теку на позадини састављеној од великог броја позитивно наелектрисаних металних јона, а сам проводник је неутралан!

Ову врсту посебне струје често називамо „еквивалентном струјом“. Еквивалент овде значи да генерише магнетно поље на истој основи као и обична струја проводљивости!

Подсетник: Не бркајте „еквивалентну струју“ овде са „еквивалентним колом“ у анализи кола

У ствари, када смо први пут проучавали магнетно поље, електрична струја у Биот-Саффаровом закону била је генерализована електрична струја која је садржала ову еквивалентну струју. Наравно, струја проводљивости у Максвеловим једначинама се такође односи на генерализовану струју.

Они који су проучавали фотоелектрични ефекат знају да када се фотоелектрон помери са катоде на аноду, ако се занемари утицај ваздуха, ова струја је узрокована кретањем електричних наелектрисања у вакууму и нема отпора, па је није ограничен Омовим законом.

Дакле, да ли је ово једина ствар о електричној струји у физици?

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

Они су такође две еквивалентне струје, које су, као што име говори, такође уведене да објасне магнетизам. Другим речима, одвојили су се од основне карактеристике садашњег „покрета набоја“!

That’s amazing! There is no electric charge movement, so why can it be called an electric current?

Don’t worry, and listen to me slowly.

Let’s look at the magnetizing current first.

Утврђено је да је магнетизам узрокован кретањем електрицитета (за сада не узимајући у обзир објашњење магнетизма интринзичним својствима спина). Да би објаснио природни магнетизам, француски физичар Ампер је изнео хипотезу о „молекуларној циркулацији“.

Као што је приказано на слици испод, за сваки атом или молекул се може сматрати да има електрични набој који ротира око центра, формирајући малу струју у петљи, односно „молекуларну циркулацију“.

Према закону да електрична струја побуђује магнетно поље, ова молекуларна циркулација ће произвести физичку величину која се зове магнетни момент. Његова величина је површина затворена молекулском циркулацијом помноженом са еквивалентном струјом молекуларне циркулације, а њен смер је у десној спиралној вези са правцем циркулације, тј.

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

.

У нормалним околностима, распоред молекуларне циркулације супстанце је хаотичан, тако да супстанца није магнетна, као што је приказано на левој страни доње слике. Када се подвргну спољашњем магнетном пољу, ове молекуларне циркулације ће бити приближно уредно распоређене. Као што је приказано на десној страни доње слике, њихови магнетни моменти су распоређени у једном правцу што је више могуће, баш као безброј малих магнетних иглица окупљених заједно да формирају укупно магнетно поље, а цео материјал састављен од њих постаје магнетан.

Suppose there is a cylindrical magnet, the inner molecular circulation is neatly arranged, and the sections of each molecular circulation at the edge of the magnet section are connected together to form a large circulation, as shown in the figure below.

На основу овога, можемо мислити да је шипкасти магнет као соленоид под напоном. Другим речима, на површини магнета је уплетена невидљива струја! Ова врста струје се не може повезати и користити. Ограничен је на површину магнета. Ми то називамо “везујућа струја” или “струја магнетизације”.

Дакле, струја магнетизирања је струја, јер је иста као и струја настала кретањем стварних електричних наелектрисања, која еквивалентно могу генерисати магнетно поље!

Погледајмо поново струју померања.

Према теореми Амперове петље, интеграл јачине магнетног поља на затвореној путањи једнак је флуксу густине струје на било којој кривој површини ограниченој овом путањом, односно ова теорема се у математици назива Стоксова теорема. То нам говори да интеграл вектора дуж било које затворене путање мора бити једнак флуксу његовог завоја (овде) на било коју површину ограничену затвореном путањом.

Since it is a mathematical theorem, it must always be correct, because mathematics is a logical system based on axioms.

Стога, теорема Амперове петље мора увек да важи!

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

Типична нестабилна струја се јавља током пуњења и пражњења кондензатора. Као што је приказано на слици испод, током кратког периода пуњења кондензатора постоји нестабилна струја.

Али коло је искључено између плоча кондензатора, што ће изазвати озбиљан проблем.

Suppose we consider a closed path that bypasses the wire, as shown in the figure below, the circle marked by C, and the curved surface with it as the boundary can be arbitrarily selected. In the figure, the circular plane enclosed by C itself and across the capacitor are selected. The curved surface of the left plate.

Према кружној површини види се да према закривљеној површини, али као петљи интеграл јачине магнетног поља, треба одредити његову вредност!

Како то да урадите?

Максвел верује да се мора успоставити теорема Амперове петље. Сада када постоји проблем, то мора да је зато што део струје нисмо раније открили, али постоји!

Дакле, како сазнати овај део струје?

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

Кроз анализу, Максвел је открио да без обзира на пуњење или пражњење, постоји физичка величина између плоча кондензатора у сваком тренутку која је синхронизована са величином и смером струје. То је временски дериват флукса вектора електричног померања, односно дефинисан је као струја померања.

Ако се сматра да је овај део део струје који раније није откривен, онда је комплетна струја сада. То јест, иако је коло између плоча искључено, дериват флукса електричног померања и збир струје заједно, као целина, осигуравају континуитет струје у сваком тренутку.

Враћајући се на претходну контрадикцију, сада знамо да, према захтевима Стоксове теореме, при израчунавању флукса густине струје за затворену површину треба узети у обзир и густину струје померања, односно комплетну амперску петљу теорема је стога, „Открићем“ ове нове компоненте струје, криза теореме Амперове петље је решена!

Разлог зашто се овде не користи „увод“, већ се овде користи „откриће“. Оно што желим да истакнем јесте да оваква струја није математичка компензација, већ стварна ствар, али до сада није откривена.

Зашто уопште постоји? Пошто делује као електрична струја, као струја проводљивости, побуђује магнетно поље еквивалентно, осим што нема кретања електричних наелектрисања, није потребна жица и не може да се генерише џулова топлота, тако да је занемарено!

Али оно заправо постоји само по себи, само се притајите, све време је тихо узбуђивало магнетно поље!

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.

До сада је уведено неколико облика струје. Сви они постоје објективно, а заједничко им је да све струје подједнако могу побуђивати магнетно поље.