Ano ang electric current? Unang alalahanin, ano ang kahulugan ng kasalukuyang natutunan natin?

Medyo simple, ang direksyon ng paggalaw ng mga sisingilin na particle sa isang konduktor ay isang electric current.

Kapag lamang ang isang substance ay may mga particle na malayang gumagalaw, maaari itong magpadala ng electric current—iyon ay, magdadala ng kuryente. Ang mga sisingilin na particle na ito na lumahok sa pagpapadaloy ay tinatawag na mga carrier. Para sa mga metal, halimbawa, tanging ang mga panlabas na electron ng mga atomo ang maaaring kumilos bilang mga carrier.

Ang “directional movement” sa kahulugan ng electric current ay madalas na hindi maintindihan. Iniisip ng maraming tao na tumutukoy ito sa paggalaw na may tiyak na direksyon, siyempre hindi! Hindi ba nagbabago ang direksyon ng paggalaw ng mga electron sa AC circuit?

Sa katunayan, ang orienteering ay nauugnay sa “random na paggalaw”!

Dahil ang mga electron ay mga microscopic na particle, dapat silang nasa thermal motion sa lahat ng oras. Ang thermal motion ay isang random na paggalaw, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.

Ang paggalaw na ito ay talagang napakabilis. Halimbawa, sa mga metal sa temperatura ng kuwarto, ang bilis ng electronic thermal movement ay nasa order ng daan-daang kilometro bawat segundo!

Kung titingnan mong mabuti ang random na paggalaw na ito, makikita mo na ang direksyon ng paggalaw ng bawat particle ay random sa anumang sandali. Kung susumahin mo ang mga velocity vector ng mga particle na ito, ang resulta ay halos zero.

Ngayon magdagdag ng isang electric field sa konduktor, at ang electron superimposes isang direksyon kilusan sa batayan ng random na paggalaw. Ipagpalagay na ang electric field ay nasa kaliwa para sa isang tiyak na tagal ng panahon, ang paggalaw ng mga electron ay mukhang ang mga sumusunod. Ang mga pulang bola ay kumakatawan sa mga metal na atomo sa kristal na sala-sala, at ang mabilis na gumagalaw na mga tuldok ay kumakatawan sa mga libreng electron.

Mukhang mabilis? Iyan ay dahil ang electronic na paggalaw ay talagang mabilis! Ngunit sa katunayan, ang random na paggalaw, na bumubuo ng malaking bahagi nito, ay hindi nakakatulong sa kasalukuyang. Kapag ang random na paggalaw ay inalis, ang iba ay katulad ng mabagal na pagtingin sa ibaba.

Sa katunayan, ang direksyon ng paggalaw ng mga electron ay mas mabagal kaysa sa bilis ng thermal na paggalaw. Ang “paggiling” na paggalaw na ito ng mga electron ay tinatawag na drift, o “drift”. Minsan, ang mga electron ay tatakbo sa tapat na direksyon dahil sa mga banggaan sa mga atomo. Ngunit sa pangkalahatan, ang mga electron ay gumagalaw sa isang direksyon.

Kung ang electric field ay nagbabago ng direksyon, ang direksyon ng electron drift ay magbabago din.

Samakatuwid, ang ganitong uri ng direksyon ng paggalaw ay nangangahulugan na ang kabuuan ng mga bilis ng lahat ng mga electron na nakikilahok sa pagpapadaloy sa isang tiyak na oras ay hindi zero, ngunit sa pangkalahatan ay nasa isang tiyak na direksyon. Ang direksyong ito ay maaaring baguhin anumang oras, at iyon ang kaso ng alternating current.

Samakatuwid, ang kasalukuyang ay hindi gaanong “directional movement” ng electric charge kundi ito ang “collective movement” ng electric charge.

Ang magnitude ng kasalukuyang sa konduktor ay ipinahayag ng kasalukuyang intensity. Ang kasalukuyang intensity ay tinukoy bilang ang dami ng kuryente na dumadaan sa cross-section ng conductor sa isang unit time, ibig sabihin

Natutunan namin ang ilang pisikal na dami na naglalaman ng salitang “intensity”, tulad ng electric field intensity at magnetic induction intensity. Karaniwang kinakatawan ng mga ito ang paghahati-hati sa bawat unit ng oras, unit area (o unit volume, unit solid angle). Gayunpaman, ang salitang “intensity” sa kasalukuyang intensity ay hindi sumasalamin sa kasalukuyang bahagi ng lugar.

Sa katunayan, ang isa pang pisikal na dami ay responsable para sa pamamahagi ng kasalukuyang sa lugar, na kasalukuyang density.

Dahil ang kakanyahan ng electric current ay ang direksyon ng paggalaw ng electric charge, dapat mayroong isang tiyak na kaugnayan sa pagitan ng kasalukuyang intensity at bilis ng drift!

Upang makuha ang ugnayang ito, kailangan muna nating linawin ang isang konsentrasyon ng tagadala ng konsepto, iyon ay, ang bilang ng mga carrier sa dami ng yunit, na ipinapahayag ng .

Ipinapalagay na ang conductor cross section ay, ang carrier concentration ay, ang drift velocity ay, at ang charged charge ay.

Pagkatapos ang singil sa konduktor sa kaliwang bahagi ng ibabaw ay, at ang mga singil na ito ay dadaan sa ibabaw sa loob ng isang tiyak na tagal ng panahon, kaya

Ito ay isang mikroskopikong pagpapahayag ng kasalukuyang intensity.

Ang kasalukuyang density ay ang paghahati ng kasalukuyang sa lugar, kaya ang magnitude ng kasalukuyang density ay, ngunit ito ay tinukoy bilang isang vector, at ang direksyon ay ang direksyon ng drift velocity vector ng mga positibong sisingilin na carrier, kaya ang drift ng mga electron sa metal ay maaaring makuha mula sa Bilis na ito, bilang isang halimbawa sa ibaba.

Isaalang-alang ang isang tansong kawad, sa pag-aakalang ang bawat tansong atom ay nag-aambag ng isang elektron bilang isang carrier. Mayroong 1 mol ng tanso, ang dami nito ay, ang molar mass ay, ang density ay, pagkatapos ay ang carrier concentration ng tansong wire ay

Nasaan ang pare-pareho ni Avogadro. Ang density ng tanso ay matatagpuan, at ang halaga na nakuha sa pamamagitan ng pagpapalit ay tungkol sa unit/cubic meter.

Ipagpalagay na ang radius ng copper wire ay 0.8mm, ang kasalukuyang dumadaloy ay 15A, =1.6 C, at ang drift velocity ng mga electron ay kinakalkula bilang

Makikita na ang bilis ng drift ng mga electron ay talagang napakaliit.

Para sa mga nag-aaral ng mga circuit, ang nasa itaas ay ang kumpletong kahulugan ng kasalukuyang.

Ngunit sa pisika, ang kahulugan sa itaas ng kasalukuyang ay talagang isang makitid na kahulugan lamang. Hindi limitado sa mga konduktor ang mas pangkalahatang mga agos, hangga’t ang paggalaw ng mga singil sa kuryente ay kasalukuyang. Halimbawa, kapag ang mga electron ng isang hydrogen atom ay gumagalaw sa paligid ng nucleus, isang electric current ang nabuo sa orbit nito.

Ipagpalagay na ang halaga ng electronic charge ay at ang panahon ng paggalaw ay. Pagkatapos sa bawat oras na lumipas, mayroong isang malaking halaga ng singil na dumadaan sa anumang cross section ng loop, kaya ang kasalukuyang intensity ay batay sa relasyon sa pagitan ng period, frequency at angular velocity, at ang kasalukuyang ay maaari ding ipahayag bilang

Para sa isa pang halimbawa, ang isang naka-charge na metal disk, na umiikot sa paligid ng axis nito, ay bumubuo rin ng mga loop na alon na may iba’t ibang radii.

Ang ganitong uri ng kasalukuyang ay hindi isang normal na kasalukuyang pagpapadaloy at hindi maaaring makabuo ng init ng Joule! Hindi makabuo ng totoong circuit.

Kung hindi, bibigyan mo ba ako ng kalkulasyon kung gaano karaming joule heat ang nabuo bawat segundo ng mga electron ng hydrogen atom?

Sa katunayan, ang kasalukuyang nasa vacuum ay hindi nakakatugon sa batas ng Ohm. Dahil, para sa electric current na nabuo sa pamamagitan ng paggalaw ng mga sisingilin na particle sa vacuum, ang mga carrier ay hindi nabangga katulad ng sala-sala sa metal, kaya ang vacuum ay walang resistensya at walang conductance.

Ang paggalaw ng mga singil sa kuryente ay bumubuo ng electric current, at ang electric charge mismo ay nagpapasigla sa electric field. Madali itong magdulot ng hindi pagkakaunawaan. Maraming mga tao kung gayon ang iniisip na ang electric field ng mga sisingilin na particle na bumubuo sa electric current ay dapat na malantad. Ngunit sa katunayan, para sa kasalukuyang pagpapadaloy sa isang pangkalahatang konduktor, ang mga carrier ay dumadaloy sa isang background na binubuo ng isang malaking bilang ng mga positibong sisingilin na mga ion ng metal, at ang konduktor mismo ay neutral!

Madalas nating tinatawag ang ganitong uri ng espesyal na kasalukuyang isang “katumbas na kasalukuyang”. Ang katumbas dito ay nangangahulugan na ito ay bumubuo ng isang magnetic field sa parehong batayan bilang isang ordinaryong conduction kasalukuyang!

Paalala: Huwag malito ang “katumbas na kasalukuyang” dito sa “katumbas na circuit” sa pagsusuri ng circuit

Sa katunayan, noong una nating pinag-aralan ang magnetic field, ang electric current sa batas ng Biot-Saffar ay ang generalised electric current na naglalaman ng katumbas na current na ito. Siyempre, ang kasalukuyang pagpapadaloy sa mga equation ni Maxwell ay tumutukoy din sa pangkalahatang kasalukuyang.

Alam ng mga nag-aral ng photoelectric effect na kapag ang photoelectron ay naaanod mula sa cathode patungo sa anode, kung ang impluwensya ng hangin ay hindi pinansin, ang kasalukuyang ito ay sanhi ng paggalaw ng mga singil sa kuryente sa vacuum, at walang pagtutol, kaya ito ay hindi pinaghihigpitan ng batas ng Ohm.

Kaya, ito lang ba ang tungkol sa electric current sa physics?

Hindi! Mayroon ding dalawang uri, katulad ng magnetizing current at displacement current.

Ang mga ito ay dalawang katumbas na alon, na, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ay ipinakilala din upang ipaliwanag ang magnetism. Sa madaling salita, humiwalay na sila sa batayang katangian ng kasalukuyang “charge movement”!

Kahanga-hanga yan! Walang paggalaw ng singil sa kuryente, kaya bakit ito matatawag na electric current?

Huwag mag-alala, at makinig sa akin ng dahan-dahan.

Tingnan muna natin ang magnetizing current.

Napag-alaman na ang magnetism ay sanhi ng paggalaw ng kuryente (hindi isinasaalang-alang ang paliwanag ng magnetism sa pamamagitan ng mga intrinsic na katangian ng spin sa ngayon). Upang maipaliwanag ang natural na magnetism, ang French physicist na si Ampere ay naglagay ng hypothesis ng “molecular circulation”.

Gaya ng ipinapakita sa figure sa ibaba, anumang atom o molekula ay maaaring ituring na may electric charge na umiikot sa gitna, na bumubuo ng isang maliit na loop current, iyon ay, “molecular circulation”.

Ayon sa batas na ang electric current ay nagpapasigla sa magnetic field, ang molecular circulation na ito ay magbubunga ng pisikal na dami na tinatawag na magnetic moment. Ang laki nito ay ang lugar na nakapaloob sa sirkulasyon ng molekular na pinarami ng katumbas na kasalukuyang ng sirkulasyon ng molekular, at ang direksyon nito ay nasa isang kanang kamay na spiral na relasyon sa direksyon ng sirkulasyon, lalo na.

Malinaw, ang direksyon ng magnetic moment ay eksaktong kasama ang direksyon ng magnetic field na nabuo ng circulating current.

.

Sa ilalim ng normal na mga pangyayari, ang pag-aayos ng molecular circulation ng isang substance ay magulo, kaya ang substance ay hindi magnetic, gaya ng ipinapakita sa kaliwang bahagi ng figure sa ibaba. Kapag sumailalim sa isang panlabas na magnetic field, ang mga molekular na sirkulasyon na ito ay humigit-kumulang na maayos na nakaayos. Tulad ng ipinapakita sa kanang bahagi ng figure sa ibaba, ang kanilang mga magnetic moment ay nakaayos sa isang direksyon hangga’t maaari, tulad ng hindi mabilang na maliliit na magnetic needle na pinagsama-sama upang bumuo ng isang kabuuang magnetic field, at ang buong materyal na binubuo ng mga ito ay nagiging magnetic.

Ipagpalagay na mayroong isang cylindrical magnet, ang panloob na sirkulasyon ng molekular ay maayos na nakaayos, at ang mga seksyon ng bawat molekular na sirkulasyon sa gilid ng seksyon ng magnet ay magkakaugnay upang bumuo ng isang malaking sirkulasyon, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.

Batay dito, maaari nating isipin na ang isang bar magnet ay tulad ng isang energized solenoid. Sa madaling salita, mayroong isang invisible current na nakakabit sa ibabaw ng magnet! Ang ganitong uri ng kasalukuyang ay hindi maaaring konektado at magamit. Ito ay nakakulong sa ibabaw ng magnet. Tinatawag namin itong “binding current” o “magnetizing current”.

Samakatuwid, ang magnetizing kasalukuyang ay isang kasalukuyang, dahil ito ay kapareho ng kasalukuyang nabuo sa pamamagitan ng paggalaw ng mga tunay na electric charges, na maaaring katumbas ng isang magnetic field!

Tingnan natin muli ang displacement current.

Ayon sa loop theorem ng Ampere, ang integral ng lakas ng magnetic field sa isang closed path ay katumbas ng flux ng kasalukuyang density sa anumang curved surface na nalilimitahan ng path na ito, iyon ay, ang theorem na ito ay tinatawag na Stokes’ theorem sa matematika. Sinasabi nito sa amin na ang integral ng isang vector sa anumang saradong landas ay dapat na katumbas ng flux ng curl nito (dito) sa anumang ibabaw na nakatali ng saradong landas.

Dahil ito ay isang mathematical theorem, ito ay dapat palaging tama, dahil ang matematika ay isang lohikal na sistema batay sa axioms.

Samakatuwid, ang Ampere Loop Theorem ay dapat palaging hawakan!

Gayunpaman, natuklasan ng mahuhusay na Scottish physicist na si Maxwell na kapag nahaharap sa isang hindi matatag na kasalukuyang circuit, ang Ampere loop theorem ay kasalungat.

Ang karaniwang hindi matatag na kasalukuyang nangyayari sa panahon ng pagsingil at pagdiskarga ng kapasitor. Tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba, mayroong isang hindi matatag na kasalukuyang sa panahon ng maikling panahon ng pagsingil ng kapasitor.

Ngunit ang circuit ay naka-disconnect sa pagitan ng mga capacitor plate, na magdudulot ng malubhang problema.

Ipagpalagay na isaalang-alang namin ang isang saradong landas na lumalampas sa wire, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba, ang bilog na minarkahan ng C, at ang hubog na ibabaw kasama nito bilang hangganan ay maaaring basta-basta mapili. Sa figure, ang pabilog na eroplano na nakapaloob sa C mismo at sa buong kapasitor ay napili. Ang hubog na ibabaw ng kaliwang plato.

Ayon sa pabilog na ibabaw, makikita na ayon sa hubog na ibabaw, ngunit bilang isang loop integral ng lakas ng magnetic field, ang halaga nito ay dapat matukoy!

Kung paano ito gawin?

Naniniwala si Maxwell na ang Ampere’s loop theorem ay dapat na maitatag. Ngayon na may problema, ito ay dapat na dahil ang isang bahagi ng agos ay hindi pa natin natutuklasan noon, ngunit ito ay umiiral!

Kaya, paano malalaman ang bahaging ito ng kasalukuyang?

Dahil ang problema ay nasa pagitan ng mga plato, magsimula sa pagitan ng mga plato.

Sa pamamagitan ng pagsusuri, natuklasan ni Maxwell na anuman ang pag-charge o pag-discharge, mayroong pisikal na dami sa pagitan ng mga capacitor plate sa lahat ng oras na naka-synchronize sa magnitude at direksyon ng kasalukuyang. Ito ang time derivative ng flux ng electric displacement vector, iyon ay, ito ay tinukoy bilang ang displacement current.

Kung isasaalang-alang na ang bahaging ito ay ang bahagi ng agos na hindi pa natuklasan noon, kung gayon ang kumpletong agos ay ngayon. Iyon ay upang sabihin, kahit na ang circuit sa pagitan ng mga plates ay naka-disconnect, ang derivative ng electric displacement flux at ang kabuuan ng kasalukuyang magkasama, sa kabuuan , Tiyakin ang pagpapatuloy ng kasalukuyang sa lahat ng oras.

Bumalik sa nakaraang pagkakasalungatan, alam na natin ngayon na, ayon sa mga kinakailangan ng Stokes ‘theorem, kapag kinakalkula ang pagkilos ng bagay ng kasalukuyang density para sa isang saradong ibabaw, ang density ng kasalukuyang displacement ay dapat ding isaalang-alang, iyon ay, ang kumpletong ampere loop ang theorem ay samakatuwid, Sa pamamagitan ng “pagtuklas” sa bagong kasalukuyang bahagi, ang krisis ng Ampere Loop Theorem ay nalutas!

Ang dahilan kung bakit hindi ginagamit ang “pagpapakilala” dito, ngunit ang “pagtuklas” ay ginagamit dito. Ang gusto kong bigyang-diin ay ang ganitong uri ng kasalukuyang ay hindi isang mathematical compensation, ngunit isang tunay na bagay, ngunit hindi pa ito natuklasan bago.

Bakit ito umiiral sa unang lugar? Dahil ito ay gumaganap bilang isang electric current, tulad ng isang conduction current, ito excites isang magnetic field katumbas, maliban na walang paggalaw ng electric charges, walang wire ay kinakailangan, at walang Joule init ay maaaring mabuo, kaya ito ay hindi pinansin!

Ngunit ito ay talagang umiiral nang mag-isa, panatilihin lamang ang isang mababang profile, ito ay tahimik na kapana-panabik ang magnetic field doon sa lahat ng oras!

Sa madaling salita, kapag nakaharap tayo sa isang magnetic field, ang orihinal na kahulugan ng kasalukuyang ay masyadong makitid. Ang kakanyahan ng electric current ay hindi ang paggalaw ng electric charge, ito ay dapat na isang bagay na maaaring pukawin ang isang magnetic field.

Sa ngayon, ang ilang mga anyo ng kasalukuyang ay ipinakilala. Ang lahat ng mga ito ay umiiral nang may layunin, at kung ano ang mayroon sila sa karaniwan ay ang lahat ng mga alon ay maaaring pantay na pukawin ang magnetic field.