Dòng điện là gì? Đầu tiên nhớ lại định nghĩa dòng điện mà chúng ta đã học là gì?

Rất đơn giản, chuyển động có hướng của các hạt mang điện trong vật dẫn là dòng điện.

Chỉ khi một chất có các hạt mang điện có thể chuyển động tự do, thì chất đó mới có thể truyền dòng điện – tức là dẫn điện. Những hạt mang điện này tham gia vào quá trình dẫn được gọi là hạt tải điện. Ví dụ, đối với kim loại, chỉ các electron ngoài cùng của nguyên tử mới có thể đóng vai trò là hạt tải điện.

“Chuyển động có hướng” trong định nghĩa của dòng điện thường bị hiểu nhầm. Nhiều người nghĩ rằng nó đề cập đến chuyển động với một hướng nhất định, tất nhiên là không! Chiều chuyển động của các êlectron trong đoạn mạch xoay chiều không thay đổi?

Trong thực tế, định hướng tương đối với “chuyển động ngẫu nhiên”!

Vì các electron là các hạt cực nhỏ nên chúng phải luôn chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt là một chuyển động ngẫu nhiên, như thể hiện trong hình bên dưới.

Chuyển động này thực sự rất nhanh. Ví dụ, trong kim loại ở nhiệt độ phòng, tốc độ chuyển động nhiệt điện tử theo thứ tự hàng trăm km trên giây!

Nếu bạn quan sát kỹ chuyển động ngẫu nhiên này, bạn sẽ thấy rằng hướng chuyển động của mỗi hạt là ngẫu nhiên tại bất kỳ thời điểm nào. Nếu bạn cộng các vectơ vận tốc của các hạt này, kết quả gần như bằng không.

Bây giờ, thêm một điện trường vào vật dẫn, và electron tạo ra một chuyển động có hướng trên cơ sở chuyển động ngẫu nhiên. Giả sử rằng điện trường hướng sang trái trong một khoảng thời gian nhất định thì chuyển động của các êlectron có dạng như sau. Các quả bóng màu đỏ đại diện cho các nguyên tử kim loại trên mạng tinh thể, và các chấm chuyển động nhanh đại diện cho các electron tự do.

Nó trông có nhanh không? Đó là bởi vì chuyển động điện tử rất nhanh! Nhưng trên thực tế, chuyển động ngẫu nhiên, chiếm tỷ trọng lớn, không góp phần tạo nên dòng điện. Khi chuyển động ngẫu nhiên bị loại bỏ, phần còn lại giống như hình ảnh quay chậm bên dưới.

Thật vậy, chuyển động có hướng của các electron chậm hơn nhiều so với tốc độ chuyển động nhiệt. Chuyển động “mài” này của các điện tử được gọi là sự trôi dạt, hay “sự trôi dạt”. Đôi khi, các electron sẽ chạy theo hướng ngược lại do va chạm với các nguyên tử. Nhưng nói chung, các electron chuyển động theo một hướng.

Nếu điện trường thay đổi hướng, hướng di chuyển của electron cũng sẽ thay đổi.

Do đó, loại chuyển động có hướng này có nghĩa là tổng tốc độ của tất cả các electron tham gia dẫn truyền tại một thời điểm nhất định không phải là XNUMX, mà nói chung là theo một hướng nhất định. Hướng này có thể thay đổi bất cứ lúc nào, và đó là trường hợp của dòng điện xoay chiều.

Do đó, dòng điện không phải là “chuyển động có hướng” của điện tích vì nó là “chuyển động tập thể” của điện tích.

Độ lớn của dòng điện trong dây dẫn được biểu thị bằng cường độ dòng điện. Cường độ dòng điện được định nghĩa là điện lượng đi qua tiết diện của vật dẫn trong một đơn vị thời gian, cụ thể là

Chúng ta đã học một số đại lượng vật lý có chứa từ “cường độ”, chẳng hạn như cường độ điện trường và cường độ cảm ứng từ. Chúng thường đại diện cho tỷ trọng trên một đơn vị thời gian, đơn vị diện tích (hoặc đơn vị thể tích, đơn vị góc đặc). Tuy nhiên, từ “cường độ” trong cường độ dòng điện không phản ánh tỷ lệ hiện tại của khu vực.

Trên thực tế, một đại lượng vật lý khác chịu trách nhiệm phân phối dòng điện tới khu vực, đó là mật độ dòng điện.

Vì bản chất của dòng điện là sự chuyển động có hướng của điện tích nên giữa cường độ dòng điện và tốc độ trôi phải có mối quan hệ nhất định!

Để có được mối quan hệ này, trước hết chúng ta phải làm rõ một khái niệm nồng độ chất mang, nghĩa là, số lượng chất mang trong một đơn vị thể tích, được biểu thị bằng .

Giả thiết rằng tiết diện của dây dẫn là, nồng độ hạt tải điện là, vận tốc trôi và điện tích là.

Khi đó, điện tích trong vật dẫn ở phía bên trái của bề mặt là, và những điện tích này sẽ truyền qua bề mặt trong một khoảng thời gian nhất định, vì vậy

Đây là một biểu thức hiển vi của cường độ dòng điện.

Mật độ dòng điện là tỷ lệ của dòng điện trên diện tích, do đó độ lớn của mật độ dòng điện là, nhưng nó được định nghĩa là một vectơ, và hướng là hướng của vectơ vận tốc trôi của các hạt tải điện dương, do đó sự chuyển động của các electron trong kim loại có thể được lấy từ Tốc độ này, như một ví dụ dưới đây.

Xét một sợi dây đồng, giả sử rằng mỗi nguyên tử đồng đóng góp một êlectron làm hạt tải điện. Có 1 mol đồng, thể tích của nó là, khối lượng mol là, khối lượng riêng là, khi đó nồng độ hạt tải điện của dây đồng là

Đâu là hằng số của Avogadro. Mật độ của đồng được tìm thấy, và giá trị thu được khi thay thế là khoảng đơn vị / mét khối.

Giả sử bán kính của dây đồng là 0.8mm, cường độ dòng điện chạy qua là 15A = 1.6 C và vận tốc trôi của các êlectron được tính là

Có thể thấy rằng tốc độ trôi của các electron quả thực là rất nhỏ.

Đối với những người nghiên cứu về mạch, trên đây là định nghĩa đầy đủ về dòng điện.

Nhưng trong vật lý, định nghĩa trên về dòng điện thực chất chỉ là một định nghĩa hẹp. Các dòng điện tổng quát hơn không giới hạn đối với vật dẫn, miễn là chuyển động của các điện tích là dòng điện. Ví dụ, khi các electron của nguyên tử hydro chuyển động xung quanh hạt nhân, một dòng điện được hình thành trên quỹ đạo của nó.

Giả sử lượng điện tích là và chu kỳ chuyển động là. Sau đó, mỗi khi thời gian trôi qua, có một lượng lớn điện tích đi qua bất kỳ tiết diện nào của vòng lặp, do đó cường độ dòng điện dựa trên mối quan hệ giữa chu kỳ, tần số và vận tốc góc, và dòng điện cũng có thể được biểu thị bằng

Ví dụ khác, một đĩa kim loại tích điện, quay quanh trục của nó, cũng tạo thành dòng điện vòng với các bán kính khác nhau.

Loại dòng điện này không phải là dòng điện dẫn thông thường và không thể tạo ra nhiệt Joule! Không thể tạo thành một mạch thực.

Nếu không, bạn có thể cho tôi một phép tính bao nhiêu jun nhiệt được tạo ra trong một giây bởi các electron của nguyên tử hydro?

Thực tế, dòng điện trong chân không không thỏa mãn định luật Ohm. Bởi vì, đối với dòng điện tạo thành do chuyển động của các hạt mang điện trong chân không, các hạt tải điện không bị va chạm tương tự như mạng tinh thể trong kim loại nên chân không không có điện trở và không có tính dẫn điện.

Sự chuyển động của các điện tích tạo ra dòng điện, và bản thân điện tích kích thích điện trường. Điều này rất dễ gây ra hiểu lầm. Do đó, nhiều người nghĩ rằng phải có điện trường của các hạt mang điện tạo thành dòng điện. Nhưng trên thực tế, đối với dòng điện dẫn trong một dây dẫn nói chung, hạt tải điện chạy trên nền bao gồm một số lượng lớn các ion kim loại mang điện tích dương, và bản thân vật dẫn là trung tính!

Chúng tôi thường gọi loại dòng điện đặc biệt này là “dòng điện tương đương”. Tương đương ở đây có nghĩa là nó tạo ra một từ trường trên cơ sở giống như một dòng điện dẫn thông thường!

Nhắc nhở: Đừng nhầm lẫn “dòng điện tương đương” ở đây với “mạch tương đương” trong phân tích mạch

Thực tế, khi chúng ta lần đầu tiên nghiên cứu về từ trường, dòng điện trong định luật Biot-Saffar là dòng điện tổng quát có chứa dòng điện tương đương này. Tất nhiên, dòng điện dẫn trong phương trình Maxwell cũng đề cập đến dòng điện tổng quát.

Những ai đã nghiên cứu về hiệu ứng quang điện đều biết rằng khi quang điện tử đi từ cực âm sang cực dương, nếu bỏ qua ảnh hưởng của không khí thì dòng điện này sinh ra do chuyển động của các điện tích trong chân không, và không có điện trở nên không bị hạn chế bởi luật Ohm.

Vì vậy, đây là điều duy nhất về dòng điện trong vật lý?

Không! Cũng có hai loại, đó là dòng từ hóa và dòng dịch chuyển.

Chúng cũng là hai dòng điện tương đương, như tên gọi, cũng được giới thiệu để giải thích từ tính. Nói cách khác, chúng đã phá vỡ đặc tính cơ bản của “chuyển động điện tích” hiện tại!

Thật ngạc nhiên! Không có sự chuyển động của điện tích, vậy tại sao có thể gọi là dòng điện?

Đừng lo lắng, và hãy lắng nghe tôi từ từ.

Trước hết chúng ta hãy xem xét dòng điện từ hóa.

Người ta phát hiện ra rằng từ tính là do sự chuyển động của dòng điện (không xem xét việc giải thích từ tính bằng các tính chất nội tại của spin trong thời gian này). Để giải thích từ tính tự nhiên, nhà vật lý người Pháp Ampere đã đưa ra giả thuyết về “tuần hoàn phân tử”.

Như thể hiện trong hình bên dưới, bất kỳ nguyên tử hoặc phân tử nào cũng có thể được coi là có điện tích quay xung quanh tâm, tạo thành một dòng điện vòng cực nhỏ, tức là “tuần hoàn phân tử”.

Theo quy luật dòng điện kích thích từ trường, tuần hoàn phân tử này sẽ sinh ra một đại lượng vật lý gọi là mômen từ. Kích thước của nó là diện tích được bao quanh bởi vòng tuần hoàn phân tử nhân với dòng điện tương đương của vòng tuần hoàn phân tử và hướng của nó theo mối quan hệ xoắn ốc thuận tay phải với hướng của vòng tuần hoàn, cụ thể là

Rõ ràng, chiều của mômen từ chính xác dọc theo chiều của từ trường do dòng điện tuần hoàn tạo thành

.

Trong trường hợp bình thường, sự sắp xếp của tuần hoàn phân tử của một chất là hỗn loạn, vì vậy chất đó không có từ tính, như thể hiện ở bên trái của hình dưới đây. Khi chịu tác động của từ trường ngoài, các vòng tuần hoàn phân tử này sẽ được sắp xếp một cách gần như gọn gàng. Như thể hiện ở bên phải của hình bên dưới, mômen từ của chúng được sắp xếp theo một hướng càng nhiều càng tốt, giống như vô số kim từ trường nhỏ tập hợp lại với nhau để tạo thành từ trường tổng, và toàn bộ vật chất cấu tạo nên từ trường.

Giả sử có một nam châm hình trụ, vòng tuần hoàn phân tử bên trong được sắp xếp gọn gàng, và các phần của mỗi vòng tuần hoàn phân tử ở cạnh của phần nam châm được kết nối với nhau để tạo thành một vòng tuần hoàn lớn, như thể hiện trong hình dưới đây.

Dựa trên điều này, chúng ta có thể nghĩ rằng một nam châm thanh giống như một điện từ được cung cấp năng lượng. Nói cách khác, có một dòng điện vô hình vướng vào bề mặt của nam châm! Loại dòng điện này không thể được kết nối và sử dụng. Nó được giới hạn trên bề mặt của nam châm. Chúng tôi gọi nó là “dòng điện liên kết” hoặc “dòng điện từ hóa”.

Do đó, dòng điện từ hóa là một dòng điện, bởi vì nó giống như dòng điện được hình thành do chuyển động của các điện tích thực, có thể tạo ra từ trường một cách tương đương!

Hãy xem xét lại dòng chuyển dời.

Theo định lý vòng lặp Ampere, tích phân của cường độ từ trường trên một đường dẫn kín bằng thông lượng của mật độ dòng điện trên bất kỳ mặt cong nào bị giới hạn bởi đường đi này, tức là, định lý này được gọi là định lý Stokes trong toán học. Nó cho chúng ta biết rằng tích phân của một vectơ dọc theo bất kỳ đường khép kín nào phải bằng thông lượng của cuộn tròn của nó (ở đây) với bất kỳ bề mặt nào bị giới hạn bởi đường đóng.

Vì nó là một định lý toán học, nó phải luôn luôn đúng, bởi vì toán học là một hệ thống logic dựa trên các tiên đề.

Do đó, Định lý Vòng Ampe phải luôn luôn giữ!

Tuy nhiên, nhà vật lý tài năng người Scotland Maxwell đã phát hiện ra rằng khi đối mặt với một mạch dòng điện không ổn định, định lý vòng Ampere là mâu thuẫn.

Dòng điện không ổn định điển hình xảy ra trong quá trình sạc và phóng điện của tụ điện. Như trong hình dưới đây, có một dòng điện không ổn định trong thời gian ngắn của quá trình sạc tụ điện.

Nhưng mạch điện bị ngắt giữa các bản tụ điện sẽ gây ra sự cố nghiêm trọng.

Giả sử chúng ta coi một đường khép kín đi qua dây, như thể hiện trong hình bên dưới, đường tròn được đánh dấu bởi C và mặt cong với nó làm ranh giới có thể được chọn tùy ý. Trong hình bên, mặt phẳng tròn bao quanh bởi chính C và qua tụ điện được chọn. Mặt cong của tấm bên trái.

Theo mặt tròn, có thể thấy rằng theo mặt cong, nhưng là tích phân vòng của cường độ từ trường, nên xác định giá trị của nó!

Làm thế nào để làm gì?

Maxwell tin rằng định lý vòng lặp Ampere phải được thiết lập. Hiện tại phát sinh vấn đề, hẳn là bởi vì trước đây một phần dòng điện không có bị chúng ta phát hiện, nhưng là tồn tại!

Vậy, làm thế nào để tìm ra phần này của dòng điện?

Vì vấn đề là giữa các tấm, hãy bắt đầu từ giữa các tấm.

Qua phân tích, Maxwell nhận thấy rằng bất kể sạc hay phóng điện, luôn có một đại lượng vật lý giữa các bản tụ điện luôn đồng bộ với cường độ và hướng của dòng điện. Nó là đạo hàm theo thời gian của từ thông của vectơ dịch chuyển điện, nghĩa là nó được định nghĩa là dòng dịch chuyển.

Nếu coi bộ phận này là bộ phận của dòng điện chưa được khám phá trước đây thì hiện nay là dòng điện hoàn chỉnh. Điều đó có nghĩa là, mặc dù mạch điện giữa các tấm bị ngắt kết nối, nhưng đạo hàm của thông lượng dịch chuyển điện và tổng của dòng điện với nhau, nói chung, Đảm bảo tính liên tục của dòng điện tại mọi thời điểm.

Quay trở lại với mâu thuẫn trước đây, bây giờ chúng ta biết rằng, theo yêu cầu của định lý Stokes, khi tính toán từ thông của mật độ dòng điện đối với một bề mặt kín, mật độ của dòng dịch chuyển cũng cần được xem xét, nghĩa là, vòng lặp hoàn chỉnh của ampe. do đó, định lý là, Bằng cách “khám phá” thành phần hiện tại mới này, cuộc khủng hoảng của Định lý Vòng Ampere đã được giải quyết!

Lý do tại sao “giới thiệu” không được sử dụng ở đây, nhưng “khám phá” được sử dụng ở đây. Điều tôi muốn nhấn mạnh là loại dòng điện này không phải là bù toán học, mà là một thứ có thật, nhưng trước đây nó chưa được khám phá ra.

Tại sao nó tồn tại ngay từ đầu? Bởi vì nó hoạt động như một dòng điện, giống như một dòng điện dẫn, nó kích thích một từ trường tương đương, ngoại trừ việc không có chuyển động của các điện tích, không cần dây dẫn và không thể tạo ra nhiệt Joule, vì vậy nó đã được bỏ qua!

Nhưng nó thực sự tồn tại tự nó, chỉ cần giữ một cấu hình thấp, nó đã âm thầm kích thích từ trường ở đó suốt thời gian qua!

Nói cách khác, khi chúng ta đối mặt với một từ trường, định nghĩa ban đầu của dòng điện là quá hẹp. Bản chất của dòng điện không phải là chuyển động của điện tích, nó phải là thứ có thể kích thích từ trường.

Cho đến nay, một số hình thức hiện tại đã được giới thiệu. Chúng đều tồn tại một cách khách quan và điểm chung của chúng là tất cả các dòng điện đều có thể kích thích từ trường như nhau.