Що таке електричний струм? Спочатку пригадайте, яке визначення струму ми дізналися?

Досить просто, спрямований рух заряджених частинок у провіднику є електричним струмом.

Тільки коли речовина має заряджені частинки, які можуть вільно рухатися, вона може передавати електричний струм, тобто проводити електрику. Ці заряджені частинки, які беруть участь у провідності, називаються носіями. Для металів, наприклад, переносниками можуть виступати лише зовнішні електрони атомів.

«Спрямований рух» у визначенні електричного струму часто розуміють неправильно. Багато людей думають, що це стосується руху з певним напрямком, звичайно, ні! Чи не змінюється напрямок руху електронів у колі змінного струму?

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.

This movement is actually very fast. For example, in metals at room temperature, the speed of electronic thermal movement is on the order of hundreds of kilometers per second!

Якщо ви уважно подивитеся на цей випадковий рух, ви побачите, що напрямок руху кожної частинки є випадковим у будь-який момент. Якщо скласти вектори швидкостей цих частинок, то результат майже дорівнює нулю.

Тепер додайте електричне поле до провідника, і електрон накладає спрямований рух на основі випадкового руху. Якщо припустити, що електричне поле певний проміжок часу знаходиться ліворуч, то рух електронів виглядає наступним чином. Червоні кульки представляють атоми металу на кристалічній решітці, а швидко рухаються точки представляють вільні електрони.

Does it look fast? That’s because electronic movement is really fast! But in fact, the random motion, which accounts for a large proportion of it, does not contribute to the current. When the random motion is eliminated, the rest is just like the slow look below.

Дійсно, спрямований рух електронів набагато повільніше, ніж швидкість теплового руху. Це «шліфування» руху електронів називається дрейфом, або «дрифтом». Іноді електрони рухатимуться в протилежному напрямку через зіткнення з атомами. Але загалом електрони рухаються в одному напрямку.

Якщо електричне поле змінює напрямок, напрямок дрейфу електронів також зміниться.

Таким чином, такий вид спрямованого руху означає, що сума швидкостей усіх електронів, які беруть участь у провідності в певний момент часу, не дорівнює нулю, а загалом знаходиться в певному напрямку. Цей напрямок можна змінити в будь-який час, і це у випадку змінного струму.

Отже, струм — це не стільки «спрямований рух» електричного заряду, скільки «колективний рух» електричного заряду.

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

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.

Насправді, за розподіл струму в області відповідає інша фізична величина, яка є густиною струму.

Оскільки сутність електричного струму полягає в спрямованому переміщенні електричного заряду, то між силою струму та швидкістю дрейфу має бути певна залежність!

Щоб отримати це співвідношення, ми повинні спочатку уточнити концентрацію носіїв поняття, тобто кількість носіїв в одиниці об’єму, яка виражається як .

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

Тоді заряд у провіднику з лівого боку поверхні дорівнює, і ці заряди пройдуть через поверхню протягом певного періоду часу, тому

Це мікроскопічний вираз інтенсивності струму.

Щільність струму – це розподіл струму на площу, тому величина густини струму дорівнює, але вона визначається як вектор, а напрямок – це напрямок вектора швидкості дрейфу позитивно заряджених носіїв, тому дрейф електронів у метал можна отримати з цієї швидкості, як приклад нижче.

Розглянемо мідний дріт, припускаючи, що кожен атом міді вносить електрон як носій. Є 1 моль міді, його об’єм дорівнює, молярна маса дорівнює, густина дорівнює, тоді концентрація носія мідного дроту дорівнює

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

Вважаючи, що радіус мідного дроту дорівнює 0.8 мм, струм, що протікає, дорівнює 15 А, =1.6 С, а швидкість дрейфу електронів розраховується як

Можна помітити, що швидкість дрейфу електронів дійсно дуже мала.

Для тих, хто вивчає схеми, наведене вище є повним визначенням струму.

Але у фізиці наведене вище визначення струму насправді є лише вузьким визначенням. Більш загальні струми не обмежуються провідниками, доки рух електричних зарядів є струмом. Наприклад, коли електрони атома водню рухаються навколо ядра, на його орбіті утворюється електричний струм.

Припустимо, що кількість електронного заряду дорівнює, а період руху дорівнює. Тоді щоразу, коли це проходить, через будь-який поперечний переріз петлі проходить така велика кількість заряду, тому інтенсивність струму заснована на залежності між періодом, частотою та кутовою швидкістю, а струм також можна виразити як

Для іншого прикладу заряджений металевий диск, обертаючись навколо своєї осі, також утворює петлеві струми з різними радіусами.

Цей вид струму не є звичайним струмом провідності і не може генерувати джоулеве тепло! Не може утворити реальний ланцюг.

Інакше, ви б дали мені розрахунок, скільки джоулів тепла виділяється за секунду електронами атома водню?

Насправді струм у вакуумі не задовольняє закону Ома. Тому що для електричного струму, що утворюється в результаті руху заряджених частинок у вакуумі, носії не стикаються, подібно до ґратки в металі, тому вакуум не має опору і провідності.

Рух електричних зарядів породжує електричний струм, а сам електричний заряд збуджує електричне поле. Це легко спричинити непорозуміння. Тому багато людей вважають, що електричне поле заряджених частинок, які утворюють електричний струм, має бути оголеним. Але насправді для струму провідності в загальному провіднику носії протікають на фоні, що складається з великої кількості позитивно заряджених іонів металу, а сам провідник нейтральний!

Ми часто називаємо цей вид спеціального струму «еквівалентним струмом». Еквівалент тут означає, що він створює магнітне поле на тій же основі, що і звичайний струм провідності!

Нагадування: не плутайте “еквівалентний струм” тут з “еквівалентним ланцюгом” в аналізі ланцюга

Насправді, коли ми вперше досліджували магнітне поле, електричний струм у законі Біо-Саффара був узагальненим електричним струмом, який містив цей еквівалентний струм. Звичайно, струм провідності в рівняннях Максвелла також відноситься до узагальненого струму.

Ті, хто вивчав фотоефект, знають, що коли фотоелектрон дрейфує від катода до анода, якщо ігнорувати вплив повітря, цей струм викликається рухом електричних зарядів у вакуумі, а опору немає, тому він не обмежена законом Ома.

Отже, це єдине, що стосується електричного струму у фізиці?

Немає! Існують також два види, а саме струм намагнічування і струм зміщення.

Вони також є двома еквівалентними струмами, які, як випливає з назви, також вводяться для пояснення магнетизму. Іншими словами, вони відірвалися від основної характеристики нинішнього «руху заряду»!

Це дивовижно! Немає руху електричного заряду, то чому його можна назвати електричним струмом?

Не хвилюйся і слухай мене повільно.

Спочатку розглянемо струм намагнічування.

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”.

Як показано на малюнку нижче, будь-який атом або молекулу можна вважати такими, що мають електричний заряд, що обертається навколо центру, утворюючи крихітний петлевий струм, тобто «молекулярну циркуляцію».

Відповідно до закону, що електричний струм збуджує магнітне поле, ця молекулярна циркуляція вироблятиме фізичну величину, яка називається магнітним моментом. Його розмір — це площа, охоплена молекулярною циркуляцією, помножена на еквівалентний струм молекулярної циркуляції, а її напрямок знаходиться в правосторонньому спіральному співвідношенні з напрямком циркуляції, а саме

Очевидно, що напрямок магнітного моменту точно вздовж напрямку магнітного поля, утвореного циркулюючим струмом

.

За звичайних обставин молекулярна циркуляція речовини хаотична, тому речовина не є магнітною, як показано на лівій частині малюнка нижче. Під впливом зовнішнього магнітного поля ці молекулярні циркуляції будуть приблизно акуратно організовані. Як показано на правій частині малюнка нижче, їх магнітні моменти розташовані в одному напрямку, наскільки це можливо, так само, як незліченна кількість маленьких магнітних голок, зібраних разом, щоб утворити повне магнітне поле, і весь матеріал, що складається з них, стає магнітним.

Припустимо, що є циліндричний магніт, внутрішня молекулярна циркуляція влаштована акуратно, і секції кожної молекулярної циркуляції на краю секції магніту з’єднані разом, щоб утворити велику циркуляцію, як показано на малюнку нижче.

Виходячи з цього, ми можемо думати, що стрижневий магніт схожий на електромагніт, що знаходиться під напругою. Іншими словами, на поверхні магніту заплутався невидимий струм! Такий струм не можна підключати та використовувати. Він обмежений поверхнею магніту. Ми називаємо це «струм зв’язку» або «струм намагнічування».

Отже, струм намагнічування є струмом, оскільки він такий самий, як і струм, утворений рухом реальних електричних зарядів, які еквівалентно можуть генерувати магнітне поле!

Давайте ще раз подивимося на струм зміщення.

Відповідно до теореми про петлю Ампера інтеграл напруженості магнітного поля на замкнутому шляху дорівнює потоку густини струму на будь-якій криволінійній поверхні, обмеженій цим шляхом, тобто ця теорема в математиці називається теоремою Стокса. Це говорить нам, що інтеграл від вектора вздовж будь-якого замкнутого шляху повинен дорівнювати потоку його завитка (тут) до будь-якої поверхні, обмеженої замкнутим шляхом.

Оскільки це математична теорема, вона завжди повинна бути правильною, тому що математика — це логічна система, заснована на аксіомах.

Тому теорема про петлю Ампера має виконуватися завжди!

Однак талановитий шотландський фізик Максвелл виявив, що при зіткненні з нестабільним струмом теорема про петлю Ампера була суперечливою.

Типовий нестабільний струм виникає під час зарядки і розрядки конденсатора. Як показано на малюнку нижче, протягом короткого періоду зарядки конденсатора виникає нестабільний струм.

Але ланцюг роз’єднаний між пластинами конденсатора, що викличе серйозну проблему.

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.

За круговою поверхнею видно, що відповідно до криволінійної поверхні, але як петлевий інтеграл від напруженості магнітного поля, слід визначити його значення!

Як зробити?

Максвелл вважає, що теорема про петлю Ампера повинна бути встановлена. Тепер, коли є проблема, це, мабуть, тому, що частина течії не була виявлена ​​нами раніше, але вона існує!

Отже, як дізнатися цю частину течії?

Оскільки проблема між пластинами, починайте з між пластинами.

За допомогою аналізу Максвелл виявив, що незалежно від зарядки чи розрядки між пластинами конденсатора завжди існує фізична величина, яка синхронізована з величиною та напрямком струму. Це похідна за часом потоку вектора електричного зміщення, тобто визначається як струм зміщення.

Якщо вважати, що ця частина є частиною струму, яка раніше не була відкрита, то зараз повний струм. Тобто, хоча ланцюг між пластинами роз’єднаний, похідна електричного потоку зміщення і сума струму разом, як ціле, забезпечують безперервність струму в будь-який час.

Повертаючись до попереднього протиріччя, тепер ми знаємо, що згідно з вимогами теореми Стокса при розрахунку потоку густини струму для замкнутої поверхні слід також враховувати густину струму зміщення, тобто повну амперну петлю Таким чином, теорема полягає в тому, що «відкриттям» цього нового поточного компонента криза теореми про петлю Ампера вирішена!

Причина, чому тут не вживається слово «введення», а «відкриття». Хочу підкреслити, що такий струм — це не математична компенсація, а реальна річ, але вона раніше не була відкрита.

Чому воно взагалі існує? Оскільки він діє як електричний струм, як струм провідності, він еквівалентно збуджує магнітне поле, за винятком того, що не відбувається переміщення електричних зарядів, не потрібний дріт і не може вироблятися джоулеве тепло, тому його проігнорували!

Але насправді він існує сам по собі, тільки тримайся тихо, він весь час безшумно збуджував там магнітне поле!

Іншими словами, коли ми стикаємося з магнітним полем, початкове визначення струму є занадто вузьким. Суть електричного струму не в русі електричного заряду, це має бути щось, що може збуджувати магнітне поле.

Поки що введено кілька форм струму. Усі вони існують об’єктивно, і їх об’єднує те, що всі струми однаково можуть збуджувати магнітне поле.