Musisz zrozumieć, że elektrony nie poruszają się same, ale jako łańcuch ... jak gromada przedszkolaków związana ręka w rękę.

Rozważ poniższy rysunek przedstawiający serię piłek w układzie torów

Jest dość oczywiste, że możesz użyć palca, aby popchnąć łańcuch piłek wokół dowolnej pętli, a będą się swobodnie poruszać.

Jednak NIE możesz przepychać żadnych piłek przez dolną rynnę łączącą, ponieważ nie ma dokąd pójść.

Tak też dzieje się w przypadku przewodów.Jeśli DID zdołasz zmusić elektron do właściwej pętli, być może używając cewki indukcyjnej lub czegoś podobnego, powstałaby różnica ładunków między dwiema pętlami, która szybko zmusiłaby elektron z powrotem po odjęciu siły.

Istnieje bardziej matematyczna i dokładniejsza odpowiedź niż te powyżej i okazuje się, że jest to jedno z bardziej interesujących i ważnych pojęć w elektromagnetyzmie.

Po pierwsze, co to znaczy „przepływ prądu w pętlach”? Oznacza to po prostu, że ładunek (dodatni lub ujemny) nie gromadzi się w jednym miejscu. Oznacza to, że prąd netto wpływający do miejsca jest równy przepływającemu prądowi netto. Możemy to wyrazić w terminach matematycznie precyzyjnych: \ $ \ nabla \ cdot \ vec {\ mathrm {J}} = 0 \ $, gdzie \ $ \ vec {\ mathrm {J}} \ $ to aktualna gęstość. Symbol \ $ \ nabla \ cdot \ $ nazywany jest „dywergencją” i jest po prostu matematycznym sposobem przedstawienia przepływu netto do lub z obszaru przestrzeni.

Czy to prawda, że ​​prąd zawsze płynie w pętlach lub nie gromadzi się w jednym miejscu? Jest to prawdą przez długi czas, ponieważ ładunki odpychają. Jeśli w jednym miejscu uzyskasz zbyt duży ładunek, dodawanie kolejnych staje się coraz trudniejsze. Ale jeśli przyjrzysz się uważnie, możemy wygenerować tymczasowe zaburzenia równowagi opłat. Kilka osób wspomniało o narastaniu ładunków statycznych i podobnych efektach, ale jest jeden przykład, który istnieje w wielu prostych obwodach: kondensator.

Rozważmy następujący obwód:

^{symuluj ten obwód - schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Jak widać na schemacie, „pętla” jest zepsuta! nie ma ładunków ani prądu przepływającego przez szczelinę w kondensatorze. Jak wiemy, ładunek gromadzi się na płytach, zamiast utrzymywać równowagę między ładunkami wpływającymi i wypływającymi.

Więc co się tutaj dzieje? Czy „przepływ prądu w pętlach” to tylko przybliżenie, czy możemy to jakoś naprawić? W końcu, jeśli potraktujesz kondensator jak czarną skrzynkę i nie zajrzysz do środka, nasza zasada nadal obowiązuje - na dwóch płytkach kondensatora są równe ładunki, więc sieć nadal wynosi zero. I wiemy, że podczas ładowania kondensatora dzieje się coś dziwnego: generuje napięcie.

W XIX wieku była to właściwie sprawa istotna. Prawo Ampera zostało pierwotnie napisane: \ $ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} \ $. Ta formuła rachunku różniczkowego ma również ładne, intuicyjne wyjaśnienie - mówi, że pole magnetyczne wokół pętli jest proporcjonalne do prądu przepływającego przez pętlę. \ $ \ nabla \ times \ vec {B} \ $ nazywane jest „zawinięciem \ $ \ vec {B} \ $ i jest kwantyfikacją„ zawinięcia ”pola magnetycznego wokół źródła prądu. rachunek różniczkowy możesz pokazać, że „rozbieżność skrętu wynosi zero”. Oznacza to, że to równanie implikuje \ $ \ nabla \ cdot \ vec {J} = 0 \ $. To miłe, ale nie działa w naszym przykładzie z kondensatorem: co by było, gdybyśmy utworzyli pętlę wokół szczeliny między kondensatorami? Nadal mamy pole magnetyczne, ale nie ma prądu.

Rozwiązaniem tego problemu jest dodanie drugiego rodzaju prądu, zwanego „prądem przesunięcia”. Okazuje się, że poprawna forma to \ $ \ epsilon_0 \ frac {\ części \ vec {E}} {\ części {t}} \ $. To znaczy szybkość zmian pola elektrycznego.

Więc dodajemy ten prąd przesunięcia do prądu. Jeśli spojrzysz na postać prawa Ampera, która występuje w równaniach Maxwella, zobaczysz:

$$ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ left (\ vec {J} + \ epsilon_0 \ frac {\ części {\ vec {E}}} {\ części {t}} \ right) $$

Oznacza to, że 1) albo ładowanie ruchu albo zmiana pola elektrycznego może powodować otaczające je pola magnetyczne i (ponieważ \ $ \ nabla \ cdot \ nabla \ times \ vec {B} = 0 \ $), całkowity prąd ładowania plus prąd przesunięcia ma zerową dywergencję, co oznacza, że ​​płynie tylko w pętlach.

Ten składnik prądu przesunięcia jest w rzeczywistości bardzo ważny, nie tylko ze względu na matematyczną symetrię, ale także dlatego, że dopuszcza fale elektromagnetyczne, światło AKA i fale radiowe. Pozwala na samo rozprzestrzenianie się pól elektrycznych i magnetycznych z dala od jakichkolwiek wolnych ładunków lub materiałów magnetycznych.

OK, co to oznacza dla naszych intuicyjnych pomysłów dotyczących przepływu prądu w pętlach?Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko prąd ruchu ładunku, jest to przybliżenie, które jest prawdziwe tylko wtedy, gdy pole elektryczne nie zmienia się w czasie.Co najważniejsze, dotyczy to wewnętrznych przewodników, w których pole elektryczne jest zawsze (prawie) zerowe.Zatem w przewodach tworzących obwody elektryczne prąd płynie tylko w pętlach.Jednak ładunek może gromadzić się na powierzchniach przewodników (takich jak płyta kondensatora) lub w izolatorach lub wolnej przestrzeni.W takim przypadku prosta wersja „przepływu prądu w pętlach” nie jest już prawdziwa, z wyjątkiem stanu ustalonego, ale możemy znaleźć odpowiednią wielkość, która jest uniwersalna zgodnie z tą zasadą.

Siły elektryczne między naładowanymi cząstkami są niezwykle silne (*), ale w większości przypadków są w dużej mierze niwelowane przez fakt, że ładunki dodatnie i ujemne są z grubsza równe. Gdyby szybkość, z jaką elektrony wpływały do ​​obiektu, przekroczyła liczbę wypływających, podczas gdy protony pozostawałyby zasadniczo w bezruchu, obiekt szybko tworzyłby ładunek, który próbowałby wypchnąć elektrony i uniemożliwić ich dalsze wchodzenie. Chociaż obiekty mogą gromadzić pewną ilość ładunku statycznego, generalnie nie potrzeba dużo prądu, aby bardzo szybko wytworzyć ogromne napięcie. Dla większości praktycznych celów, czas, w którym nietrywialny prąd mógłby wpłynąć do urządzenia bez równoważącego wypływu z urządzenia, zanim ładunek wystarczający, aby zapobiec przepływowi więcej prądu, byłby zasadniczo równy zero.

(*) Na ścieżkę spadającej kropli oleju może mieć wymierny wpływ nierównowaga ładunku pojedynczego elektronu , nawet jeśli masa elektronu jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż masa kropli.

Prąd nie musi płynąć w pętli, jeśli coś traci ładunek (jak gorąca płyta elektronowa w przestrzeni), ładunek opuszcza i nigdy nie wraca, ponieważ elektrony gotują się.Prąd jest definiowany przez prawo amperów, można sobie wyobrazić rysowanie powierzchni wokół płytki, a płyta stałaby się bardziej ujemna.Mogę sobie wyobrazić inne rzeczy, które mają prądy, które nie wracają do źródła, jak plazma ze słońca.

Jeśli jednak mówisz o prądzie z przewodnika, źródło napięcia musi być skądś odniesione, a prąd zawsze płynie do niższego napięcia, więc jeśli chcesz wytworzyć większy prąd, potrzebujesz odniesienia.

Możesz o tym myśleć w ten sposób: Źródła napięcia są jak pompy, prąd jest jak woda, zawsze będzie płynął w dół.Ziemia 0V jest jak jezioro (lub ocean), do którego wpływa cała woda.Aby woda popłynęła, musisz ją skądś wypompować, a powróci ona do najniższego punktu, do którego może się dostać.

Wracając do analogii z rurą, z pewnością możesz mieć rurę, która płynie tylko w jednym kierunku, a woda będzie przepływać przez rurę, aż cokolwiek otrzyma wodę (powiedzmy, że jest to wieża ciśnień) po stronie odbiorczej, stanie się pełne.

Podobnie z elektronami.Elektrony mogą płynąć w jednym kierunku, dopóki „ciśnienie” (napięcie) nie wzrośnie do punktu, w którym siła przeciwdziałająca przepływowi odpowiada sile pobudzającej przepływ.Można to zrobić np. Kondensatorem lub zwykłym powietrzem (w przypadku prostej anteny radiowej).

Jednak w przypadku braku „pełnego obwodu” wcześniej czy później kondensator „zapełni się”, a napięcie przeciwne do przepływu prądu dopasuje się do przepływu wspomagającego napięcie.

B, ponieważ nie ma przewodu.

W standardowym modelu używanym na diagramie zakłada się, że przewody między elementami mają zerową rezystancję. \ $ V = IR \ $, co oznacza, że ​​jeśli rezystancja wynosi zero, tak samo jest z potencjałem napięcia, chyba że prąd jest jakoś nieskończony. Biorąc pod uwagę potencjał zerowy, granica prądu, gdy rezystancja spada do zera, wynosi zero:

$$ I = \ lim_ {R \ rightarrow 0 \ Omega} {\ frac {0 V} {R}} = 0 A $$

Oznacza to, że w tym standardowym modelu prąd nie płynie nigdzie wzdłuż dolnego przewodu, w tym między dolną częścią cewki indukcyjnej a ujemnym zaciskiem źródła napięcia.

W fizycznej rzeczywistości jedynym sposobem na utworzenie obwodu, w którym każdy punkt na dolnym przewodzie twojego schematu ma dokładnie ten sam potencjał (tutaj oznaczony jako 0 V), jest sytuacja, gdy zaciski każdego z komponentów są dokładnie takie same fizyczny punkt w przestrzeni.

Ponieważ ujemne źródło napięcia, dodatnie źródło prądu, spód cewki i góra zielonego rezystora to to samo, prąd nie może przepływać między nimi; nie ma dokąd płynąć prąd.

Kirchhoff's Voltage and Current Laws (KVL / KCL)

Nadal potrzebujemy całkowitego napięcia, aby dodać do zera w pętli i całkowitego prądu w każdym węźle, aby dodać go do zera, zgodnie z odpowiednio KVL i KCL.

KVL jest łatwe: na dolnym przewodzie nie ma potencjału, więc po prostu dodajesz zero w pętli, a pozostałe składniki muszą dodawać do zera. Ma to sens zarówno na standardowym schemacie, jak i na diagramie, który narysowałem, gdzie po prostu nie ma drutu.

KCL jest trochę dziwny: ponieważ cały dolny przewód jest matematycznie tym samym punktem, tak naprawdę nie potrzebuje przepływu prądu przez niego. Ale narysowaliśmy to jako linię. 10 A wychodzące z cewki musi iść gdzieś i nie jest intuicyjnie oczywiste, że przechodzi bezpośrednio przez źródło napięcia. Więc oczywistą rzeczą jest poprowadzenie prądu 10 A przez dolny przewód między cewką a źródłem napięcia.

To również sprawdza się w prawdziwym świecie. Zwykle przewód ma niewielki opór, więc spód cewki indukcyjnej ma nieco wyższy potencjał niż zacisk ujemny źródła napięcia. Oznacza to, że przez przewód przepływa niewielki prąd, który powinien wynosić dokładnie 10 A. Jeśli mimo wszystko zignorujemy drugą pętlę.

Jeśli nie zignorujemy drugiej pętli, sprawy są nieco skomplikowane. W rzeczywistości prawie zawsze będzie niewielki potencjał między dodatnim końcem źródła prądu a ujemnym końcem źródła napięcia, a niewielka ilość prądu będzie przepływać z jednego do drugiego (w zależności od tego, który koniec jest nieco wyższy potencjał). Oznacza to również, że prąd na dole lewej pętli nie będzie dokładnie 10 A, a na prawej pętli nie będzie dokładnie 20 A.

Ale ponieważ przewód między nimi ma tak małą rezystancję, różnica napięcia będzie podobnie mała i przepłynie przez niego tylko niewielka ilość prądu. W ten sposób można go przybliżyć jako prąd zerowy z dużą dokładnością dla podstawowych obwodów.

More złożone obwody

W złożonych obwodach, zwłaszcza w obwodach ze źródłami napięcia przemiennego o wysokiej częstotliwości, nie można już traktować przewodów jako elementów obwodów o zerowej rezystancji. Zamiast tego musisz zamodelować każdy przewód za pomocą bardziej złożonych przybliżeń, w których każdy odcinek przewodu ma pewne elementy indukcyjne, pojemnościowe i czyste rezystancyjne.

Ponieważ potencjały napięcia stale się zmieniają, zmienia się również prąd.W zależności od tego, jak dobrze zsynchronizowane są dwie pętle, prąd na przewodzie o zerowym potencjale może nie tylko istnieć, ale także zmieniać się od prawej do lewej i od lewej do prawej, w zależności od tego, która strona ma obecnie wyższy potencjał.

Jeszcze bardziej złożone obliczenia dotyczą prędkości prądu w poprzek linii.Ponieważ elektrony przemieszczają się ze skończonymi prędkościami, prąd na jednym końcu drutu może nie odpowiadać potencjałowi obecnemu na drugim końcu drutu.Na tym poziomie szczegółowości faktycznie można zobaczyć prąd płynący od lewej do prawej w jednej części przewodu i od prawej do lewej w innej części przewodu, w tym samym czasie.

Metale są dobrymi przewodnikami ciepła, ponieważ we wszystkich prąd płynie losowo kierunki w metalu (a ciepło przemieszcza się z elektronami będącymi nośnikami ładunku). Ale zrobienie mierzalnego prądu w JEDNYM kierunku byłoby tak tworzą dodatni ładunek netto na „dawcy elektronów” i dodatnim ładunek MOCNIE PRZYCIĄGA następny elektron, który spróbuje odejść.

Ponieważ istnieje drut, silne przyciąganie zapewnia ten prąd drut zatrzymywał się i cofał, aż „dawca” był jeszcze raz równa lub bliska neutralności elektrycznej.To przyciąganie jest tym, co powoduje Nawiasem mówiąc, piorun: możesz zrobić transfer ładunku przez długi czas, jeśli warstwa izolacji jest gruba (mila powietrza, na przykład), ale w końcu się poprawi.

Obwody elektryczne nie są przeznaczone do wykonywania uderzeń pioruna, zastosowań połączenia przewodowe, aby zmniejszyć gromadzenie się ładunku i jest to powszechne (i trafne) założenie w obwodach, że nie ma znaczącego nagromadzenia.

Spójrzmy na problem inaczej:

My, do, mamy przykład przepływu prądu, który nie jest w pętli - każdy tego doświadczył.Elektryczność statyczna.

Zwróć uwagę, że w postaci, w jakiej zwykle go spotykasz, przewodniki są ogromne (twoje ciało zamiast zwykłego drutu), napięcia są wysokie (tysiące woltów), a mimo to przez bardzo krótki czas występuje bardzo mały prądzanim energia zostanie wyrównana.

Jeśli nie zacząłeś jeszcze od dużej różnicy, bardzo szybko stworzyłbyś taką różnicę - a prąd nie płynie pod górę.

Wszystkie te miłe odpowiedzi ... Właściwie prąd tylko trochę przepływa przez tę linię.Następnie potencjał natychmiast się odbudowuje i odpycha prąd.Całe zjawisko jest bardzo małe i proporcjonalne do temperatury.Aby to poczuć, możesz zastąpić przewód rezystorem i zmierzyć hałas.

Ponieważ tylko jeden drut nic nie robi, ale wprowadza stronniczość .

Poproś liniowego, aby podłączył termometr Bluetooth do dowolnej linii wysokiego napięcia, na którym pracuje, i podłącz uziemienie urządzenia do przewodu jezdnego.Sprawdź, czy nadal możesz się do niego zalogować.Tak, jest szczęśliwy jak małża, całkowicie nieświadomy faktu, że ma 24 000 woltów "odchylenia" w stosunku do planety.

Ponieważ nie może wiedzieć o uprzedzeniach, nie może też z nim zrobić nic użytecznego.

Podczas tego polaryzacji wystąpi niewielki przepływ prądu, jest to analogiczne do elektryczności statycznej.W obwodach prądu przemiennego powtarza każde odwrócenie napięcia (np. 120 lub 100 razy na sekundę).Być może uda się podłączyć do jednego przewodu kilka czułych instrumentów i spróbować to wykryć.Ale to byłoby bardziej jak użycie łącza jako narzędzia testowego.Niezależny obwód nadal potrzebowałby własnego zasilania.

CAPACITANCE

Wystarczy umieścić coś nieco innego niż powyższe odpowiedzi, chociaż podobne do Lorena.

Bez pętli masz kondensator.Różnica napięć przenosi ładunki na każdą stronę przewodnika, aż albo: wzajemne odpychanie ładunków odpycha gromadzenie się kolejnych ładunków, albo ładunki nagromadzone rozładowują się do miejsca o niższym potencjale, wyrównując ładunki.

Wszystko w naszym świecie dotyczy równowagi. Siły wszelkiego rodzaju mogą powodować nierównowagę i zainicjować pewien rodzaj przepływu, który dąży do osiągnięcia równowagi, w której wszystko jest zrównoważone. Przedstawiony obwód ma 2 pętle, każda z własnym źródłem zasilania. Zamiast tego wyobraź sobie, że były to pompy akwariowe, które pompowały wodę w każdej pętli, a przewody to plastikowe rurki z przepływającą wodą. Jeśli podłączysz plastikową rurkę między 2 pętlami, nie spodziewasz się, że woda przepłynie przez tę rurę łączącą. Poza tym, co jest sprzeczne z intuicją, woda nie płynęłaby, ponieważ nie ma różnicy ciśnień między 2 pętlami - są one niezależne od siebie i połączone tylko w jednym punkcie, zasadniczo razem uziemione. Zawsze, gdy jest przepływ, musi nastąpić „wchodzenie” i „wychodzenie”. Kanał klimatyzatora wchodzący do pomieszczenia nie byłby zbyt dobry bez otworu wentylacyjnego lub możliwości przepływu powietrza przez drzwi do pomieszczenia. Woda nie może pozostawić butelki odwróconej do góry nogami, chyba że zostaną wprowadzone pęcherzyki powietrza, aby zastąpić wypływającą wodę. Zatem woda, powietrze, elektrony, wszystko, co płynie, wymaga wyjścia i wejścia oraz jakiejś siły, aby zainicjować przepływ. W elektryczności siłę lub ciśnienie mierzy się w woltach.

Wynika to po prostu z KCL (obecnego prawa kirchoffa), czyli z prawa zachowania ładunków.Ładunków nie można tworzyć ani niszczyć.Oto, co się tutaj dzieje.Jeśli wyobrażasz sobie pętlę jako skurczony punkt, to jest tylko jeden wlot do przepływu ładunków, ale nie ma wylotu.Dlatego prąd nie płynie w przewodzie pośrednim.Jednak w innym przypadku, jeśli mamy pętlę z wlotem i wylotem, prąd może płynąć.