What is the electric current? First recall, what is the definition of current we have learned?

Kwa urahisi kabisa, harakati ya mwelekeo wa chembe za kushtakiwa katika kondakta ni sasa ya umeme.

Ni wakati tu dutu ina chembe za malipo zinazoweza kusonga kwa uhuru, zinaweza kusambaza mkondo wa umeme-yaani, kuendesha umeme. Chembe hizi za kushtakiwa zinazoshiriki katika upitishaji huitwa wabebaji. Kwa metali, kwa mfano, elektroni za nje tu za atomi zinaweza kufanya kama wabebaji.

“Harakati za mwelekeo” katika ufafanuzi wa sasa wa umeme mara nyingi hueleweka vibaya. Watu wengi wanafikiri inahusu harakati yenye mwelekeo fulani, la hasha! Je, mwelekeo wa mwendo wa elektroni kwenye mzunguko wa AC haubadiliki?

Kwa kweli, mwelekeo unahusiana na “harakati za nasibu”!

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.

Harakati hii kwa kweli ni haraka sana. Kwa mfano, katika metali kwenye joto la kawaida, kasi ya harakati ya joto ya elektroniki iko kwenye mpangilio wa mamia ya kilomita kwa sekunde!

Ukitazama kwa makini mwendo huu wa nasibu, utagundua kwamba mwelekeo wa mwendo wa kila chembe ni wa nasibu wakati wowote. Ikiwa unaongeza vekta za kasi za chembe hizi, matokeo ni karibu sifuri.

Sasa ongeza uwanja wa umeme kwa kondakta, na elektroni inasimamia harakati za mwelekeo kwa msingi wa harakati za nasibu. Kwa kudhani kuwa uwanja wa umeme uko upande wa kushoto kwa muda fulani, harakati ya elektroni inaonekana kama ifuatavyo. Mipira nyekundu inawakilisha atomi za chuma kwenye kimiani ya fuwele, na nukta zinazosonga haraka huwakilisha elektroni zisizolipishwa.

Je, inaonekana haraka? Hiyo ni kwa sababu harakati za elektroniki ni haraka sana! Lakini kwa kweli, mwendo wa nasibu, ambao unachangia sehemu kubwa yake, hauchangii sasa. Wakati mwendo wa nasibu umeondolewa, iliyobaki ni kama mwonekano wa polepole ulio hapa chini.

Hakika, harakati ya mwelekeo wa elektroni ni polepole sana kuliko kasi ya harakati ya joto. Harakati hii ya “kusaga” ya elektroni inaitwa drift, au “drift”. Wakati mwingine, elektroni zitaenda kinyume kwa sababu ya migongano na atomi. Lakini kwa ujumla, elektroni huenda kwa mwelekeo mmoja.

Ikiwa uwanja wa umeme unabadilisha mwelekeo, mwelekeo wa drift ya elektroni pia utabadilika.

Kwa hiyo, aina hii ya harakati ya mwelekeo ina maana kwamba jumla ya kasi ya elektroni zote zinazoshiriki katika uendeshaji kwa wakati fulani sio sifuri, lakini kwa ujumla ni katika mwelekeo fulani. Mwelekeo huu unaweza kubadilishwa wakati wowote, na hiyo ndiyo kesi ya kubadilisha sasa.

Kwa hiyo, sasa sio sana “harakati za mwelekeo” wa malipo ya umeme kwani ni “harakati ya pamoja” ya malipo ya umeme.

Ukubwa wa sasa katika kondakta unaonyeshwa na kiwango cha sasa. Nguvu ya sasa inafafanuliwa kama kiasi cha umeme kinachopita kwenye sehemu ya msalaba ya kondakta katika muda wa kitengo, yaani.

Tumejifunza baadhi ya idadi halisi ambayo ina neno “nguvu”, kama vile nguvu ya uwanja wa umeme na nguvu ya induction ya sumaku. Kwa ujumla huwakilisha mgao kwa kila wakati wa kitengo, eneo la kitengo (au ujazo wa kitengo, pembe thabiti ya kitengo). Walakini, neno “nguvu” katika nguvu ya sasa halionyeshi ugawaji wa sasa wa eneo hilo.

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

Kwa kuwa kiini cha sasa cha umeme ni harakati ya mwelekeo wa malipo ya umeme, lazima kuwe na uhusiano fulani kati ya kiwango cha sasa na kasi ya drift!

In order to obtain this relationship, we must first clarify a concept-carrier concentration, that is, the number of carriers in a unit volume, which is expressed by .

Inachukuliwa kuwa sehemu ya msalaba wa kondakta ni, ukolezi wa carrier ni, kasi ya drift ni, na malipo ya kushtakiwa ni.

Kisha malipo katika kondakta upande wa kushoto wa uso ni, na mashtaka haya yatapita kwenye uso ndani ya muda fulani, kwa hiyo.

Huu ni usemi wa hadubini wa kiwango cha sasa.

Msongamano wa sasa ni mgawanyo wa sasa kwa eneo, hivyo ukubwa wa msongamano wa sasa ni, lakini unafafanuliwa kama vekta, na mwelekeo ni mwelekeo wa vekta ya kasi ya drift ya flygbolag chaji, hivyo drift ya elektroni katika chuma kinaweza kupatikana kutoka kwa Kasi hii, kama mfano hapa chini.

Fikiria waya wa shaba, ukichukulia kwamba kila atomi ya shaba inachangia elektroni kama mbebaji. Kuna mol 1 ya shaba, kiasi chake ni, molekuli ya molar ni, wiani ni, basi mkusanyiko wa carrier wa waya wa shaba ni.

Ambapo ni Avogadro mara kwa mara. Uzito wa shaba hupatikana, na thamani iliyopatikana kwa kubadilisha ni kuhusu kitengo / mita za ujazo.

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

Inaweza kuonekana kuwa kasi ya drift ya elektroni ni ndogo sana.

Kwa wale wanaosoma mizunguko, hapo juu ni ufafanuzi kamili wa sasa.

Lakini katika fizikia, ufafanuzi hapo juu wa sasa ni ufafanuzi finyu tu. Mikondo ya jumla zaidi sio tu kwa waendeshaji, mradi tu harakati za chaji za umeme ni za sasa. Kwa mfano, elektroni za atomi ya hidrojeni zinapozunguka kiini, mkondo wa umeme huundwa katika obiti yake.

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

Kwa mfano mwingine, diski ya chuma iliyoshtakiwa, inayozunguka karibu na mhimili wake, pia huunda mikondo ya kitanzi na radii tofauti.

Aina hii ya mkondo sio mkondo wa kawaida wa upitishaji na hauwezi kutoa joto la Joule! Haiwezi kuunda mzunguko halisi.

Vinginevyo, ungenipa hesabu ya ni joto ngapi la joule linalotolewa kwa sekunde na elektroni za atomi ya hidrojeni?

Kwa kweli, sasa katika utupu haikidhi sheria ya Ohm. Kwa sababu, kwa sasa ya umeme inayoundwa na harakati ya chembe za kushtakiwa katika utupu, flygbolag hazigongana sawa na kimiani katika chuma, hivyo utupu hauna upinzani na hakuna conductance.

Harakati ya malipo ya umeme huzalisha sasa umeme, na malipo ya umeme yenyewe husisimua shamba la umeme. Hii ni rahisi kusababisha kutokuelewana. Kwa hiyo watu wengi wanafikiri kwamba uwanja wa umeme wa chembe za kushtakiwa zinazounda mkondo wa umeme lazima uwe wazi. Lakini kwa kweli, kwa sasa conduction katika conductor ujumla, flygbolag mtiririko juu ya background linajumuisha idadi kubwa ya ions chaji chanya chuma, na conductor yenyewe ni neutral!

Mara nyingi tunaita aina hii ya sasa maalum “sasa sawa”. Sawa hapa ina maana kwamba inazalisha shamba la sumaku kwa msingi sawa na mkondo wa kawaida wa upitishaji!

Kikumbusho: Usichanganye “sasa sawa” hapa na “saketi sawa” katika uchanganuzi wa mzunguko.

Kwa kweli, tuliposoma kwa mara ya kwanza uwanja wa sumaku, mkondo wa umeme katika sheria ya Biot-Saffar ulikuwa mkondo wa umeme wa jumla ambao ulikuwa na mkondo huu sawa. Bila shaka, upitishaji wa sasa katika milinganyo ya Maxwell pia inarejelea sasa ya jumla.

Wale ambao wamesoma athari ya picha ya umeme wanajua kwamba wakati photoelectron inatoka kwenye cathode hadi anode, ikiwa ushawishi wa hewa hauzingatiwi, sasa hii inasababishwa na harakati za malipo ya umeme katika utupu, na hakuna upinzani, kwa hiyo. haijazuiliwa na sheria ya Ohm.

Kwa hivyo, hii ndiyo kitu pekee kuhusu sasa ya umeme katika fizikia?

Hapana! Pia kuna aina mbili, yaani magnetizing sasa na sasa makazi yao.

Pia ni mikondo miwili inayofanana, ambayo, kama jina linavyopendekeza, pia huletwa kuelezea sumaku. Kwa maneno mengine, wamejitenga na tabia ya msingi ya “harakati ya malipo” ya sasa!

Hiyo ni ajabu! Hakuna harakati za malipo ya umeme, kwa nini inaweza kuitwa mkondo wa umeme?

Usijali, na unisikilize polepole.

Wacha tuangalie mkondo wa sumaku kwanza.

Ilibainika kuwa sumaku husababishwa na harakati za umeme (bila kuzingatia maelezo ya sumaku na mali ya asili ya spin kwa wakati huo). Ili kuelezea sumaku ya asili, mwanafizikia wa Kifaransa Ampere aliweka mbele dhana ya “mzunguko wa Masi”.

Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini, atomi au molekuli yoyote inaweza kuzingatiwa kuwa na chaji ya umeme inayozunguka katikati, na kutengeneza mkondo mdogo wa kitanzi, ambayo ni, “mzunguko wa Masi”.

Kwa mujibu wa sheria kwamba mkondo wa umeme unasisimua shamba la sumaku, mzunguko huu wa molekuli utazalisha kiasi cha kimwili kinachoitwa wakati wa magnetic. Ukubwa wake ni eneo lililofungwa na mzunguko wa molekuli unaozidishwa na sasa sawa ya mzunguko wa molekuli, na mwelekeo wake ni katika uhusiano wa ond wa mkono wa kulia na mwelekeo wa mzunguko, yaani.

Kwa wazi, mwelekeo wa wakati wa magnetic ni sawa na mwelekeo wa shamba la magnetic linaloundwa na sasa inayozunguka

.

Katika hali ya kawaida, mpangilio wa mzunguko wa molekuli ya dutu ni chaotic, hivyo dutu hii sio sumaku, kama inavyoonyeshwa upande wa kushoto wa takwimu hapa chini. Inapowekwa kwenye uga wa sumaku wa nje, mizunguko hii ya molekuli itakuwa takriban iliyopangwa vizuri. Kama inavyoonyeshwa kwenye upande wa kulia wa mchoro hapa chini, nyakati zao za sumaku zimepangwa katika mwelekeo mmoja iwezekanavyo, kama vile sindano ndogo za sumaku zisizohesabika zilizokusanywa pamoja ili kuunda uga wa sumaku, na nyenzo nzima inayoundwa nazo inakuwa sumaku.

Tuseme kuna sumaku ya silinda, mzunguko wa Masi wa ndani umepangwa vizuri, na sehemu za kila mzunguko wa molekuli kwenye ukingo wa sehemu ya sumaku zimeunganishwa pamoja ili kuunda mzunguko mkubwa, kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapa chini.

Kulingana na hili, tunaweza kufikiri kwamba sumaku ya bar ni kama solenoid yenye nguvu. Kwa maneno mengine, kuna mkondo usioonekana unaonaswa kwenye uso wa sumaku! Aina hii ya sasa haiwezi kuunganishwa na kutumika. Imefungwa kwenye uso wa sumaku. Tunaiita “binding current” au “magnetizing current”.

Kwa hiyo, sasa ya magnetizing ni ya sasa, kwa sababu ni sawa na sasa inayoundwa na harakati za malipo halisi ya umeme, ambayo inaweza kwa usawa kuzalisha shamba la magnetic!

Wacha tuangalie mkondo wa uhamishaji tena.

Kulingana na nadharia ya kitanzi cha Ampere, muunganisho wa nguvu ya uwanja wa sumaku kwenye njia iliyofungwa ni sawa na mtiririko wa msongamano wa sasa kwenye uso wowote uliopindika uliofungwa na njia hii, ambayo ni, nadharia hii inaitwa nadharia ya Stokes katika hisabati. Inatuambia kuwa kiunganishi cha vekta kando ya njia yoyote iliyofungwa lazima iwe sawa na mtiririko wa curl yake (hapa) kwa uso wowote uliofungwa na njia iliyofungwa.

Kwa kuwa ni nadharia ya hisabati, lazima iwe sahihi kila wakati, kwa sababu hisabati ni mfumo wa kimantiki unaozingatia axioms.

Kwa hivyo, Theorem ya Ampere Loop lazima ishikilie kila wakati!

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

Mkondo usio na utulivu wa kawaida hutokea wakati wa malipo na kutokwa kwa capacitor. Kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapa chini, kuna mkondo usio na utulivu wakati wa muda mfupi wa malipo ya capacitor.

Lakini mzunguko umekatwa kati ya sahani za capacitor, ambayo itasababisha shida kubwa.

Tuseme tunazingatia njia iliyofungwa ambayo hupita waya, kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapa chini, mduara uliowekwa alama na C, na uso uliopindika nao kama mpaka unaweza kuchaguliwa kiholela. Katika takwimu, ndege ya mviringo iliyofungwa na C yenyewe na kwenye capacitor huchaguliwa. Uso uliopinda wa bamba la kushoto.

Kulingana na uso wa mviringo, inaweza kuonekana kuwa kulingana na uso uliopindika, lakini kama kitanzi muhimu cha nguvu ya shamba la sumaku, thamani yake inapaswa kuamua!

Jinsi ya kufanya?

Maxwell anaamini kwamba nadharia ya kitanzi cha Ampere lazima ianzishwe. Sasa kwa kuwa kuna tatizo, lazima iwe kwa sababu sehemu ya mkondo wa maji haijagunduliwa na sisi hapo awali, lakini iko!

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

Kwa kuwa tatizo ni kati ya sahani, kuanza kutoka kati ya sahani.

Kupitia uchambuzi, Maxwell aligundua kuwa bila kujali malipo au kutokwa, kuna kiasi cha kimwili kati ya sahani za capacitor wakati wote ambazo zinapatanishwa na ukubwa na mwelekeo wa sasa. Ni derivative ya wakati wa mtiririko wa vekta ya uhamishaji wa umeme, ambayo ni, inafafanuliwa kama mkondo wa uhamishaji.

Ikiwa inachukuliwa kuwa sehemu hii ni sehemu ya sasa ambayo haijagunduliwa hapo awali, basi sasa kamili iko sasa. Hiyo ni kusema, ingawa mzunguko kati ya sahani umekatika, derivative ya flux ya uhamisho wa umeme na jumla ya sasa pamoja, kwa ujumla , Hakikisha kuendelea kwa sasa wakati wote.

Kurudi kwenye utata uliopita, sasa tunajua kwamba, kwa mujibu wa mahitaji ya nadharia ya Stokes, wakati wa kuhesabu mtiririko wa wiani wa sasa kwa uso uliofungwa, wiani wa sasa wa uhamisho unapaswa kuzingatiwa, yaani, kitanzi kamili cha ampere. theorem kwa hivyo ni, Kwa “kugundua” sehemu hii mpya ya sasa, shida ya Nadharia ya Ampere Loop inatatuliwa!

Sababu kwa nini “utangulizi” hautumiwi hapa, lakini “ugunduzi” hutumiwa hapa. Ninachotaka kusisitiza ni kwamba aina hii ya sasa sio fidia ya hisabati, bali ni kitu halisi, lakini haijagunduliwa hapo awali.

Kwa nini iko katika nafasi ya kwanza? Kwa sababu inafanya kazi kama mkondo wa umeme, kama mkondo wa upitishaji, inasisimua uwanja wa sumaku kwa usawa, isipokuwa kwamba hakuna harakati za chaji za umeme, hakuna waya inahitajika, na hakuna joto la Joule linaloweza kutolewa, kwa hivyo limepuuzwa!

Lakini kwa kweli ipo yenyewe, weka tu wasifu wa chini, imekuwa ikisisimua kimya shamba la sumaku huko kila wakati!

Kwa maneno mengine, tunapokabiliana na shamba la magnetic, ufafanuzi wa awali wa sasa ni nyembamba sana. Kiini cha sasa cha umeme sio harakati ya malipo ya umeme, inapaswa kuwa kitu ambacho kinaweza kusisimua shamba la magnetic.

Hadi sasa, aina kadhaa za sasa zimeanzishwa. Zote zipo kwa kusudi, na wanachofanana ni kwamba mikondo yote inaweza kusisimua uwanja wa sumaku kwa usawa.