Elektrik akımı nedir? İlk hatırlama, öğrendiğimiz akımın tanımı nedir?

Oldukça basit, bir iletkendeki yüklü parçacıkların yönlü hareketi bir elektrik akımıdır.

Only when a substance has charged particles that can move freely, it can transmit electric current—that is, conduct electricity. These charged particles that participate in conduction are called carriers. For metals, for example, only the outer electrons of atoms can act as carriers.

Elektrik akımının tanımındaki “yönlü hareket” genellikle yanlış anlaşılır. Pek çok insan bunun belirli bir yöne sahip hareketi ifade ettiğini düşünüyor, elbette hayır! AC devresindeki elektronların hareket yönü değişmez mi?

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.

Bu hareket aslında çok hızlıdır. Örneğin, oda sıcaklığındaki metallerde elektronik termal hareketin hızı saniyede yüzlerce kilometre mertebesindedir!

Bu rastgele harekete yakından bakarsanız, her bir parçacığın hareket yönünün her an rastgele olduğunu göreceksiniz. Bu parçacıkların hız vektörlerini toplarsanız sonuç neredeyse sıfır olur.

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.

Hızlı görünüyor mu? Bunun nedeni elektronik hareketin gerçekten hızlı olmasıdır! Ama aslında, bunun büyük bir bölümünü oluşturan rastgele hareket, akıma katkıda bulunmaz. Rastgele hareket ortadan kaldırıldığında, gerisi aşağıdaki yavaş görünüm gibidir.

Indeed, the directional movement of electrons is much slower than the speed of thermal movement. This “grinding” movement of electrons is called drift, or “drift”. Sometimes, electrons will run in the opposite direction because of collisions with atoms. But in general, electrons move in one direction.

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

Bu nedenle, bu tür bir yönlü hareket, belirli bir zamanda iletime katılan tüm elektronların hızlarının toplamının sıfır olmadığı, ancak genellikle belirli bir yönde olduğu anlamına gelir. Bu yön herhangi bir zamanda değiştirilebilir ve alternatif akım durumu budur.

Bu nedenle akım, elektrik yükünün “toplu hareketi” olduğu kadar, elektrik yükünün “yönlü hareketi” değildir.

The magnitude of the current in the conductor is expressed by the current intensity. The current intensity is defined as the amount of electricity passing through the cross-section of the conductor in a unit time, namely

Elektrik alan yoğunluğu ve manyetik indüksiyon yoğunluğu gibi “yoğunluk” kelimesini içeren bazı fiziksel nicelikleri öğrendik. Genellikle birim zaman, birim alan (veya birim hacim, birim katı açı) başına paylaştırmayı temsil ederler. Ancak, mevcut yoğunluktaki “yoğunluk” kelimesi, alanın mevcut payını yansıtmamaktadır.

Aslında, akımın alana dağılımından, yani akım yoğunluğundan başka bir fiziksel nicelik sorumludur.

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!

Bu ilişkiyi elde etmek için öncelikle bir kavram-taşıyıcı konsantrasyonu, yani  ile ifade edilen birim hacimdeki taşıyıcı sayısı netleştirilmelidir.

İletken kesitinin, taşıyıcı konsantrasyonunun, sürüklenme hızının ve yüklü yükün olduğu varsayılır.

Then the charge in the conductor on the left side of the surface is, and these charges will pass through the surface within a certain period of time, so

This is a microscopic expression of current intensity.

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.

Her bakır atomunun taşıyıcı olarak bir elektrona katkıda bulunduğunu varsayarak bir bakır tel düşünün. 1 mol bakır var, hacmi, molar kütlesi, yoğunluğu, ardından bakır telin taşıyıcı konsantrasyonu

Avogadro sabiti nerede? Bakırın yoğunluğu bulunur ve ikame edilerek elde edilen değer yaklaşık birim/metreküptür.

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

Elektronların sürüklenme hızının gerçekten çok küçük olduğu görülebilir.

Devreleri inceleyenler için yukarıdaki, akımın tam tanımıdır.

Ancak fizikte, akımın yukarıdaki tanımı aslında sadece dar bir tanımdır. Elektrik yüklerinin hareketi akım olduğu sürece, daha genel akımlar iletkenlerle sınırlı değildir. Örneğin, bir hidrojen atomunun elektronları çekirdeğin etrafında hareket ettiğinde yörüngesinde bir elektrik akımı oluşur.

Elektronik yük miktarının ve hareket süresinin olduğunu varsayalım. Daha sonra, her geçen zaman, döngünün herhangi bir kesitinden geçen çok büyük miktarda yük vardır, bu nedenle akım yoğunluğu, periyot, frekans ve açısal hız arasındaki ilişkiye dayanır ve akım şu şekilde de ifade edilebilir:

Başka bir örnek için, kendi ekseni etrafında dönen yüklü bir metal disk de farklı yarıçaplarda döngü akımları oluşturur.

This kind of current is not a normal conduction current and cannot generate Joule heat! Can not form a real circuit.

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

Aslında, boşluktaki akım Ohm yasasını karşılamaz. Çünkü yüklü parçacıkların vakumda hareketiyle oluşan elektrik akımı için taşıyıcılar metaldeki kafes gibi çarpışmaz, dolayısıyla vakumun direnci ve iletkenliği yoktur.

Elektrik yüklerinin hareketi elektrik akımı üretir ve elektrik yükünün kendisi elektrik alanını uyarır. Bu bir yanlış anlaşılmaya neden olmak kolaydır. Bu nedenle birçok insan, elektrik akımını oluşturan yüklü parçacıkların elektrik alanının açığa çıkması gerektiğini düşünür. Ama aslında, genel bir iletkendeki iletim akımı için, taşıyıcılar çok sayıda pozitif yüklü metal iyonlarından oluşan bir arka plan üzerinde akar ve iletkenin kendisi nötrdür!

Bu tür özel akıma genellikle “eşdeğer akım” diyoruz. Buradaki eşdeğer, sıradan bir iletim akımıyla aynı temelde bir manyetik alan oluşturduğu anlamına gelir!

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

In fact, when we first studied the magnetic field, the electric current in Biot-Saffar’s law was the generalized electric current that contained this equivalent current. Of course, the conduction current in Maxwell’s equations also refers to the generalized current.

Fotoelektrik etkiyi inceleyenler bilirler ki, fotoelektron katottan anoda doğru sürüklendiğinde, havanın etkisi göz ardı edilirse, bu akıma elektrik yüklerinin boşluktaki hareketinden kaynaklanır ve direnç yoktur, bu nedenle Ohm kanunu ile sınırlı değildir.

Peki, fizikte elektrik akımıyla ilgili tek şey bu mu?

Numara! Mıknatıslama akımı ve yer değiştirme akımı olmak üzere iki türü de vardır.

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”!

Bu harika! Elektrik yükü hareketi yoktur, öyleyse neden elektrik akımı olarak adlandırılabilir?

Endişelenme ve beni yavaşça dinle.

Önce mıknatıslanma akımına bakalım.

It was found that magnetism is caused by the movement of electricity (not considering the explanation of magnetism by the intrinsic properties of spin for the time being). In order to explain natural magnetism, French physicist Ampere put forward the hypothesis of “molecular circulation”.

As shown in the figure below, any atom or molecule can be regarded as having an electric charge rotating around the center, forming a tiny loop current, that is, “molecular circulation”.

Elektrik akımının manyetik alanı uyardığı yasasına göre, bu moleküler sirkülasyon manyetik moment adı verilen fiziksel bir nicelik üretecektir. Boyutu, moleküler dolaşımın eşdeğer akımıyla çarpımı moleküler dolaşımın çevrelediği alandır ve yönü, dolaşımın yönü ile sağ-elli bir spiral ilişki içindedir, yani

Açıktır ki, manyetik momentin yönü, tam olarak dolaşan akımın oluşturduğu manyetik alanın yönü boyuncadır.

.

Normal şartlar altında, bir maddenin moleküler dolaşımının düzeni kaotiktir, bu nedenle aşağıdaki şeklin sol tarafında gösterildiği gibi madde manyetik değildir. Harici bir manyetik alana maruz kaldığında, bu moleküler sirkülasyonlar yaklaşık olarak düzgün bir şekilde düzenlenecektir. Aşağıdaki şeklin sağ tarafında gösterildiği gibi, manyetik momentleri, tıpkı sayısız küçük manyetik iğnenin toplam bir manyetik alan oluşturmak üzere bir araya gelmesi gibi, mümkün olduğunca tek yönde düzenlenir ve bunlardan oluşan tüm malzeme manyetik hale gelir.

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.

Buna dayanarak, bir çubuk mıknatısın enerjilenmiş bir solenoid gibi olduğunu düşünebiliriz. Başka bir deyişle, mıknatısın yüzeyine dolanmış görünmez bir akım vardır! Bu tür bir akım bağlanamaz ve kullanılamaz. Mıknatısın yüzeyi ile sınırlıdır. Biz buna “bağlama akımı” veya “mıknatıslama akımı” diyoruz.

Therefore, the magnetizing current is a current, because it is the same as the current formed by the movement of real electric charges, which can equivalently generate a magnetic field!

Yer değiştirme akımına tekrar bakalım.

Ampere döngü teoremine göre, kapalı bir yol üzerindeki manyetik alan kuvvetinin integrali, bu yolla sınırlanan herhangi bir eğri yüzey üzerindeki akım yoğunluğunun akısına eşittir, yani bu teoreme matematikte Stokes teoremi denir. Bize, herhangi bir kapalı yol boyunca bir vektörün integralinin, (burada) kapalı yol tarafından sınırlanan herhangi bir yüzeye olan kıvrılmasının akısına eşit olması gerektiğini söyler.

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

Therefore, the Ampere Loop Theorem must always hold!

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

Tipik kararsız akım, kapasitörün şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında meydana gelir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kapasitör şarjının kısa periyodu sırasında kararsız bir akım vardır.

Ancak devrenin kondansatör plakaları arasında bağlantısı kesilir ve bu da ciddi bir soruna neden olur.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi teli atlayan kapalı bir yol, C ile işaretlenmiş daire ve sınır olarak onunla birlikte eğri yüzey keyfi olarak seçilebileceğini varsayalım. Şekilde, C tarafından çevrelenen ve kondansatörün karşısındaki dairesel düzlem seçilmiştir. Sol plakanın kavisli yüzeyi.

According to the circular surface, it can be seen that according to the curved surface, but as a loop integral of the magnetic field strength, its value should be determined!

Nasıl yapılır?

Maxwell believes that the Ampere’s loop theorem must be established. Now that there is a problem, it must be because a part of the current has not been discovered by us before, but it does exist!

Peki, akımın bu kısmı nasıl bulunur?

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

Analiz yoluyla, Maxwell, şarj veya deşarjdan bağımsız olarak, her zaman akımın büyüklüğü ve yönü ile senkronize olan kapasitör plakaları arasında fiziksel bir miktar olduğunu buldu. Elektrik yer değiştirme vektörünün akısının zamana göre türevidir, yani yer değiştirme akımı olarak tanımlanır.

If it is considered that this part is the part of the current that has not been discovered before, then the complete current is now. That is to say, although the circuit between the plates is disconnected, the derivative of the electric displacement flux and the sum of the current together, as a whole , Ensure the continuity of the current at all times.

Önceki çelişkiye geri dönersek, şimdi biliyoruz ki, Stokes teoreminin gereksinimlerine göre, kapalı bir yüzey için akım yoğunluğunun akısını hesaplarken, yer değiştirme akımının yoğunluğunun da dikkate alınması gerektiğini, yani tam amper döngüsünün dikkate alınması gerektiğini biliyoruz. teorem bu nedenle, Bu yeni mevcut bileşeni “keşfederek” Amper Döngü Teoreminin krizi çözülür!

Burada “giriş” kullanılmamasının nedeni burada “keşif” kullanılmasıdır. Vurgulamak istediğim şey, bu tür bir akımın matematiksel bir telafi değil, gerçek bir şey olduğu, ancak daha önce keşfedilmediğidir.

Why does it exist in the first place? Because it acts as an electric current, like a conduction current, it excites a magnetic field equivalently, except that there is no movement of electric charges, no wire is required, and no Joule heat can be generated, so it has been ignored!

But it actually exists by itself, just keep a low profile, it has been silently exciting the magnetic field there all the time!

Başka bir deyişle, bir manyetik alanla karşılaştığımızda, akımın orijinal tanımı çok dar olur. Elektrik akımının özü, elektrik yükünün hareketi değil, bir manyetik alanı harekete geçirebilecek bir şey olmalıdır.

Şimdiye kadar, çeşitli akım biçimleri tanıtıldı. Hepsi nesnel olarak var olurlar ve ortak noktaları, tüm akımların manyetik alanı eşit derecede uyarabilmesidir.