Ҷараёни барқ ​​чист? Аввалан ба ёд оред, ки таърифи ҷараён, ки мо омӯхтем, чӣ гуна аст?

Хеле содда, ҳаракати самти зарраҳои заряднок дар ноқил ҷараёни барқ ​​аст.

Танхо вакте ки модда заррачахои заряднок дорад, ки озодона харакат карда метавонанд, вай метавонад чараёни электрро гузаронад, яъне кувваи электрро мегузаронад. Ин заррачаҳои заряднок, ки дар гузаронанда иштирок мекунанд, интиқолдиҳанда номида мешаванд. Масалан, барои металлҳо танҳо электронҳои берунии атомҳо метавонанд ҳамчун интиқолдиҳанда амал кунанд.

«Ҳаракати самт» дар таърифи ҷараёни барқ ​​аксар вақт нодуруст фаҳмида мешавад. Бисёр одамон фикр мекунанд, ки он ба ҳаракат бо як самти муайян ишора мекунад, албатта не! Оё самти харакати электронхо дар занчири AC тагьир намеёбад?

Дар асл, ориентиринг нисбат ба “ҳаракати тасодуфӣ” аст!

Азбаски электронҳо зарраҳои микроскопӣ мебошанд, онҳо бояд ҳамеша дар ҳаракати гармӣ бошанд. Ҳаракати гармӣ як ҳаракати тасодуфӣ аст, тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст.

Ин ҳаракат воқеан хеле зуд аст. Масалан, дар металлхо дар харорати хона суръати харакати гармии электронй ба дарачаи садхо километр дар як сония мерасад!

Агар шумо ба ин ҳаракати тасодуфӣ бодиққат назар кунед, шумо хоҳед дид, ки самти ҳаракати ҳар як зарра дар ҳар лаҳза тасодуфӣ аст. Агар шумо векторҳои суръати ин зарраҳоро ҷамъ кунед, натиҷа қариб сифр мешавад.

Акнун ба ноқил майдони барқро илова кунед ва электрон дар асоси ҳаракати тасодуфӣ як ҳаракати самтнокро ба вуҷуд меорад. Фарз кардем, ки майдони электр дар як муддати муайян ба тарафи чап аст, харакати электронхо чунин ба назар мерасад. Тубҳои сурх атомҳои металлиро дар торҳои кристаллӣ намояндагӣ мекунанд ва нуқтаҳои тез ҳаракаткунанда электронҳои озодро нишон медиҳанд.

Оё он зуд ба назар мерасад? Ин аст, ки ҳаракати электронӣ воқеан зуд аст! Аммо дар асл, ҳаракати тасодуфӣ, ки қисми зиёди онро ташкил медиҳад, ба ҷараён мусоидат намекунад. Вақте ки ҳаракати тасодуфӣ бартараф карда мешавад, боқимондаҳо ба монанди нигоҳи сусти дар поён овардашуда мебошанд.

Дар ҳақиқат, ҳаракати самти электронҳо нисбат ба суръати ҳаракати гармӣ хеле сусттар аст. Ин ҳаракати “ҳастаи” электронҳо дрейф ё “дрейф” номида мешавад. Баъзан, электронҳо аз сабаби бархӯрд бо атомҳо ба самти муқобил ҳаракат мекунанд. Аммо умуман, электронҳо дар як самт ҳаракат мекунанд.

Агар майдони электрикӣ самти дигар шавад, самти ҳаракати электронҳо низ тағир меёбад.

Аз ин рӯ, ин гуна ҳаракати самтнок маънои онро дорад, ки ҷамъи суръати ҳамаи электронҳое, ки дар вақти муайян дар интиқол иштирок мекунанд, сифр нест, балки умуман дар як самти муайян аст. Ин самтро дар ҳар вақт тағир додан мумкин аст ва ин ҳолат ҷараёни тағйирёбанда аст.

Аз ин рӯ, ҷараён на он қадар «ҳаракати самти» заряди электрикӣ, балки «ҳаракати дастаҷамъии» заряди электрикӣ мебошад.

Бузургии ҷараён дар ноқил бо шиддати ҷорӣ ифода карда мешавад. Шиддати ҷараён ҳамчун миқдори барқе, ки дар як воҳиди вақт аз буриши ноқил мегузарад, муайян карда мешавад, яъне

Мо баъзе миқдорҳои физикиро омӯхтем, ки калимаи “шиддат”-ро дар бар мегиранд, ба монанди шиддатнокии майдони электрикӣ ва шиддатнокии индуксияи магнитӣ. Онҳо одатан тақсимотро дар як воҳиди вақт, майдони воҳид (ё ҳаҷми воҳид, воҳиди кунҷи сахт) ифода мекунанд. Аммо калимаи «шиддат» дар шиддати кунунӣ тақсимоти ҳозираи минтақаро инъикос намекунад.

Дар асл, як миқдори дигари физикӣ барои тақсими ҷараён ба минтақа масъул аст, ки зичии ҷараён аст.

Азбаски мохияти чараёни электр харакати самти заряди электрики мебошад, дар байни шиддати чараён ва суръати харакат бояд муносибати муайян мавчуд бошад!

Барои ба даст овардани ин муносибат, мо бояд аввал консентратсияи консентратсияи интиқолдиҳанда, яъне шумораи интиқолдиҳандаҳоро дар ҳаҷми воҳид, ки бо  ифода мешавад, равшан кунем.

Фарз карда мешавад, ки буриши ноқил аст, консентратсияи интиқолдиҳанда, суръати ҳаракат ва заряди заряднок.

Он гоҳ заряд дар ноқили тарафи чапи сатҳ аст ва ин зарядҳо дар муддати муайян аз сатҳ мегузаранд, бинобар ин

Ин ифодаи микроскопии шиддати ҷорӣ аст.

Зичии ҷараён тақсимоти ҷараён ба майдон аст, бинобар ин бузургии зичии ҷараён чунин аст, аммо он ҳамчун вектор муайян карда мешавад ва самт самти вектори суръати ҳаракати интиқолдиҳандагони мусбат заряднок аст, бинобар ин дрейфти электронҳо дар металлро аз ин Суръат ба даст овардан мумкин аст, масалан, дар зер.

Як сими мисро баррасӣ кунед, агар ҳар як атоми мис ба электрон ҳамчун интиқолдиҳанда мусоидат кунад. 1 мол мис мавҷуд аст, ҳаҷми он, массаи молярӣ, зичӣ аст, пас консентратсияи интиқолдиҳандаи сими мис аст.

Дар куҷо доимии Авогадро аст. Зичии мис пайдо мешавад ва арзише, ки бо иваз кардан ба даст омадааст, тақрибан воҳид/метри мукааб аст.

Фарз кардем, ки радиуси сими мис 0.8 мм аст, ќувваи љараён 15А, =1.6 С аст ва суръати гардиши электронњо чунин њисоб карда мешавад.

Дидан мумкин аст, ки суръати гардиши электронҳо воқеан хеле хурд аст.

Барои онҳое, ки схемаҳоро меомӯзанд, дар боло тавсифи пурраи ҷараён аст.

Аммо дар физика таърифи дар боло зикршудаи ҷараён дар асл танҳо таърифи танг аст. Ҷараёнҳои бештари умумӣ бо ноқилҳо маҳдуд намешаванд, ба шарте ки ҳаракати зарядҳои электрикӣ ҷорӣ бошад. Масалан, хангоми дар атрофи ядро ​​харакат кардани электронхои атоми гидроген дар мадори он чараёни электр ба вучуд меояд.

Фарз мекунем, ки ҳаҷми барқи электронӣ ва давраи ҳаракат аст. Пас, ҳар дафъае, ки гузашт, аз ҳар як буриши ҳалқа ин қадар миқдори зиёди заряд мегузарад, бинобар ин шиддатнокии ҷорӣ ба муносибати байни давра, басомад ва суръати кунҷӣ асос ёфтааст ва ҷараёнро низ метавон чунин ифода кард

Масалан, диски металлии заряднок, ки дар атрофи меҳвари худ давр мезанад, инчунин ҷараёнҳои ҳалқаи радиусҳои гуногунро ба вуҷуд меорад.

Ин намуди ҷараён ҷараёни муқаррарӣ нест ва наметавонад гармии Ҷоул тавлид кунад! Схемаи воқеӣ ташкил карда наметавонад.

Дар акси ҳол, оё шумо ба ман ҳисоб медиҳед, ки аз ҷониби электронҳои атоми гидроген дар як сония чӣ қадар гармии ҷоул тавлид мешавад?

Дарвоқеъ, ҷараён дар вакуум қонуни Омро қонеъ намекунад. Зеро барои ҷараёни электрикие, ки дар натиҷаи ҳаракати заррачаҳои заряднок дар вакуум ба вуҷуд меояд, интиқолдиҳандагон ба мисли торчаҳои металлӣ бархӯрда намешаванд, бинобар ин вакуум муқовимат ва ноқилӣ надорад.

Харакати зарядхои электрикй чараёни электрро ба вучуд меоварад ва худи заряди электрики майдони электрикиро ба харакат меоварад. Ин осон аст, ки боиси нофаҳмӣ гардад. Аз ин рӯ, бисёриҳо фикр мекунанд, ки майдони электрикии зарраҳои заряднок, ки ҷараёни барқро ташкил медиҳанд, бояд фош карда шаванд. Аммо дар асл, барои ҷараёни интиқол дар як ноқили умумӣ интиқолдиҳандагон дар заминае ҷорӣ мешаванд, ки аз миқдори зиёди ионҳои металлии мусбат заряднок иборатанд ва худи ноқил бетараф аст!

Мо аксар вақт ин гуна ҷараёни махсусро «ҷараёни эквивалентӣ» меномем. Эквивалент дар ин ҷо маънои онро дорад, ки он майдони магнитиро дар ҳамон асос ҳамчун ҷараёни муқаррарии гузаронанда тавлид мекунад!

Ёдоварӣ: “Ҷараёни эквивалентӣ” -ро дар таҳлили схема дар ин ҷо бо “нақшаи эквивалентӣ” омехта накунед

Дарвоқеъ, вақте ки мо бори аввал майдони магнитиро омӯхта будем, ҷараёни электрикӣ дар қонуни Биот-Саффар ҷараёни умумии электрикӣ буд, ки ин ҷараёни эквивалентро дар бар мегирад. Албатта, ҷараёни гузаронанда дар муодилаҳои Максвелл низ ба ҷараёни умумӣ дахл дорад.

Онҳое, ки фотоэффектро омӯхтаанд, медонанд, ки ҳангоми аз катод ба анод рафтани фотоэлектрон, агар таъсири ҳаво ба назар гирифта нашавад, ин ҷараён дар натиҷаи ҳаракати зарядҳои электрикӣ дар вакуум ба амал меояд ва муқовимат вуҷуд надорад, бинобар ин бо қонуни Ом маҳдуд намешавад.

Пас, оё ин ягона чизе дар бораи ҷараёни электрикӣ дар физика аст?

Не! Инчунин ду намуд вуҷуд дорад, яъне ҷараёни магнитизатсия ва ҷобаҷокунанда.

Онҳо инчунин ду ҷараёнҳои эквивалентӣ мебошанд, ки, тавре ки аз номаш бармеояд, барои шарҳ додани магнитизм ҷорӣ карда мешаванд. Ба ибораи дигар гуем, онхо аз хислатхои асосии «харакати заряд» хозира чудо шудаанд!

Ин аҷиб аст! Ҳаракати заряди электрикӣ вуҷуд надорад, пас чаро онро ҷараёнҳои электрикӣ номидан мумкин аст?

Парво накунед ва оҳиста гапамро гӯш кунед.

Биёед аввал ҷараёни магнитизатсияро дида бароем.

Муайян карда шуд, ки магнетизм дар натичаи харакати кувваи электр (ба назар гирифтани шархи магнетизм бо хосиятхои дохилии спин дар айни замон) ба вучуд меояд. Физики фаронсавӣ Ампер барои шарҳ додани магнитизми табиӣ фарзияи «муомилоти молекулавӣ»-ро ба миён гузошт.

Тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, ҳар як атом ё молекуларо метавон ҳамчун заряди электрикӣ дар атрофи марказ давр зада, ҷараёни хурди ҳалқа, яъне «муомилоти молекулавӣ»-ро ташкил дод.

Тибқи қонуне, ки ҷараёни барқ ​​майдони магнитиро ба ҳаяҷон меорад, ин гардиши молекулавӣ миқдори физикиро ба вуҷуд меорад, ки моменти магнитӣ номида мешавад. Андозаи он майдони бо гардиши молекулавӣ иҳоташуда ба ҷараёни эквивалентии гардиши молекулавӣ зарб карда шудааст ва самти он дар робитаи спиралии рост бо самти гардиш аст, яъне

Равшан аст, ки самти моменти магнитӣ маҳз ба самти майдони магнитӣ, ки аз ҷараёни гардиш ба вуҷуд омадааст, рост меояд.

.

Дар шароити муқаррарӣ тартиби гардиши молекулавии модда бесарусомон аст, бинобар ин модда магнитӣ нест, чунон ки дар тарафи чапи расми зер нишон дода шудааст. Ҳангоми дучор шудан ба майдони магнитии беруна, ин гардиши молекулавӣ тақрибан ба таври дақиқ ҷойгир карда мешаванд. Тавре ки дар тарафи рости расми зер нишон дода шудааст, лаҳзаҳои магнитии онҳо ба қадри имкон дар як самт ҷойгир шудаанд, ба монанди сӯзанҳои бешумори хурди магнитӣ, ки майдони умумии магнитиро ба вуҷуд меоранд ва тамоми маводи таркибёфтаи онҳо магнитӣ мешаванд.

Фарз мекунем, ки магнити силиндрї мављуд аст, гардиши молекулавии дарунї ба таври возеҳ љойгир шудааст ва ќитъањои њар як гардиши молекула дар канори ќисмати магнит бо њам пайваст шуда, гардиши калонро ташкил медињанд, ки дар расми зер нишон дода шудааст.

Дар асоси ин, мо метавонем фикр кунем, ки магнити бар ба як соленоиди пурқувват монанд аст. Ба ибораи дигар, ҷараёни ноаён дар рӯи магнит печида аст! Ин гуна ҷараёнро пайваст кардан ва истифода бурдан мумкин нест. Он ба сатҳи магнит маҳдуд аст. Мо онро “ҷараёни ҳатмӣ” ё “ҷараёни магнитизатсия” меномем.

Аз ин рӯ, ҷараёни магнитизатсия ҷараён аст, зеро он ба ҷараёнест, ки дар натиҷаи ҳаракати зарядҳои ҳақиқии электрикӣ ба вуҷуд меояд, ки ба таври баробар майдони магнитиро тавлид карда метавонад!

Биёед бори дигар ба ҷараёни ҷобаҷокунанда назар андозем.

Мувофиқи теоремаи ҳалқаи Ампер интеграли қувваи майдони магнитӣ дар роҳи пӯшида ба ҷараёни зичии ҷараён дар ҳама гуна сатҳи каҷе, ки бо ин роҳ маҳдуд шудааст, баробар аст, яъне ин теоремаро дар математика теоремаи Стокс меноманд. Он ба мо мегӯяд, ки интеграли вектор қад-қади ҳама гуна роҳи пӯшида бояд ба ҷараёни гардиши он (дар ин ҷо) ба ҳар сатҳе, ки бо роҳи пӯшида маҳдуд аст, баробар бошад.

Азбаски он теоремаи математикӣ аст, он бояд ҳамеша дуруст бошад, зеро математика як системаи мантиқӣ аст, ки ба аксиомаҳо асос ёфтааст.

Аз ин рӯ, теоремаи ҳалқаи ампер бояд ҳамеша нигоҳ дошта шавад!

Аммо физики боистеъдоди Шотландия Максвелл кашф кард, ки ҳангоми дучор шудан бо занҷири ҷараёни ноустувор теоремаи ҳалқаи Ампер мухолиф аст.

Ҷараёни муқаррарии ноустувор ҳангоми пур кардан ва холӣ кардани конденсатор ба амал меояд. Тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, дар давраи кӯтоҳи пуркунии конденсатор ҷараёни ноустувор мавҷуд аст.

Аммо занҷир байни плитаҳои конденсатор ҷудо карда шудааст, ки боиси мушкилоти ҷиддӣ мегардад.

Фарз мекунем, ки мо роҳи пӯшидаеро баррасӣ мекунем, ки симро давр мезанад, тавре ки дар расми зер нишон дода шудааст, доирае, ки бо C нишон дода шудааст ва сатҳи каҷро бо он ҳамчун сарҳад худсарона интихоб кардан мумкин аст. Дар расм, ҳавопаймои даврашакле, ки худи C ва дар болои конденсатор иҳота шудааст, интихоб карда шудаанд. Сатҳи каҷшудаи табақи чап.

Аз руи сатхи даврашакл дида мешавад, ки мувофики сатхи каҷ, вале ҳамчун интеграли ҳалқаи шиддатнокии майдони магнитӣ арзиши он бояд муайян карда шавад!

Чӣ тавр?

Максвелл чунин мешуморад, ки теоремаи ҳалқаи Ампер бояд муқаррар карда шавад. Ҳоло, ки мушкиле вуҷуд дорад, бояд аз он сабаб бошад, ки як қисми ҷараёнро мо қаблан кашф накардаем, аммо вуҷуд дорад!

Пас, ин қисми ҷараёнро чӣ гуна бояд фаҳмид?

Азбаски мушкилот дар байни плитаҳо аст, аз байни плитаҳо оғоз кунед.

Тавассути тахлил, Максвелл муайян кард, ки новобаста аз заряднок ё разряд, дар байни пластинкахои конденсаторхо дар хама вакт мицдори физики мавчуд аст, ки бо бузургй ва самти чараён синхронизатсия карда мешавад. Он ҳосили вақти ҷараёнҳои вектори ҷобаҷогузории электрикӣ мебошад, яъне ҳамчун ҷараёни ҷобаҷокунӣ муайян карда мешавад.

Агар ба назар гирифта шавад, ки ин ќисмат ќисми љараёнест, ки пештар кашф нашудааст, он гоњ љараёни мукаммал њоло аст. Яъне, гарчанде ки занҷири байни плитаҳо ҷудо карда шуда бошад ҳам, ҳосили ҷараёнҳои ҷобаҷогузории электрикӣ ва ҷамъи ҷараёни якҷоя, дар маҷмӯъ, муттасилии ҷараёнро ҳамеша таъмин кунед.

Ба зиддияти пешина бармегардем, ҳоло мо медонем, ки тибқи талаботи теоремаи Стокс ҳангоми ҳисоб кардани ҷараёни зичии ҷараён барои сатҳи пӯшида зичии ҷараёни ҷобаҷокунанда, яъне ҳалқаи пурраи амперро низ ба назар гирифтан лозим аст. бинобар ин теорема ин аст, ки Бо “кашф кардани” ин ҷузъи нави ҷорӣ, бӯҳрони теоремаи ҳалқаи ампер ҳал карда мешавад!

Сабаби ин ҷо «муқаддима» не, балки дар ин ҷо «кашф» истифода шудааст. Он чизе, ки ман мехоҳам таъкид кунам, ин аст, ки ин гуна ҷараён ҷуброни риёзӣ нест, балки воқеист, аммо қаблан кашф нашудааст.

Чаро он дар ҷои аввал вуҷуд дорад? Азбаски он ҳамчун ҷараёни барқ, мисли ҷараёни ноқилӣ амал мекунад, майдони магнитиро ба таври баробар ба ҳаяҷон меорад, ба истиснои он ки ҳаракати зарядҳои электрикӣ вуҷуд надорад, сим лозим нест ва гармии Ҷоул тавлид намешавад, бинобар ин онро сарфи назар карданд!

Аммо он воқеан худ аз худ вуҷуд дорад, танҳо як намуди паст нигоҳ доред, он ҳамеша майдони магнитиро дар он ҷо бесадо ҳаяҷоновар мекард!

Ба ибораи дигар, вақте ки мо бо майдони магнитӣ рӯ ба рӯ мешавем, таърифи аслии ҷараён хеле танг аст. Мохияти чараёни электр харакати заряди электрики нест, он бояд чизе бошад, ки майдони магнитиро барангезад.

То кунун якчанд шаклҳои ҷараён ҷорӣ карда шудаанд. Ҳамаи онҳо ба таври объективӣ вуҷуд доранд ва чизи умумӣ дар он аст, ки ҳама ҷараёнҳо метавонанд майдони магнитиро баробар ба ҳаяҷон расонанд.