为什么电流只能在回路中流动?
有一个比上述答案更数学和更精确的答案,它是电磁学中更有趣和更重要的概念之一。
首先,“电流循环流动”是什么意思?它只是意味着电荷(正或负)不会堆积在一个地方。也就是说,流入某个位置的净电流等于流出的净电流。我们可以用数学上精确的术语表示:,其中是电流密度。符号被称为“散度”,它只是一种表示流入或流出空间区域的净流量的数学方法。
那么,电流总是在回路中流动或者不会在一个位置堆积,这是真的吗?在很长一段时间内这是正确的,因为电荷会排斥。如果您在一个地方收取过多费用,则添加更多费用会变得越来越困难。但如果你仔细观察,我们会产生暂时的电荷不平衡。有几个人提到了静电荷的积累和类似的影响,但在许多简单电路中都有一个例子:电容器。
考虑以下电路:
您可以在示意图中看到,“循环”已损坏!没有电荷或电流流过电容器的间隙。众所周知,电荷会在板上积聚,而不是在流入和流出的电荷之间保持平衡。
那么这里发生了什么?“循环中的电流”只是一个近似值,还是我们可以以某种方式修复它?毕竟,如果你把电容器当成一个黑盒子,不往里面看,我们的规则仍然成立——电容器的两个极板上的电荷相等,所以净值仍然为零。我们知道电容器在充电时会发生一些奇怪的事情:它会产生电压。
这实际上是 19 世纪的一个重要问题。安培定律最初写成:。这个微积分公式也有一个很好的直观解释——它说环路周围的磁场与流过环路的电流成正比。 被称为的“卷曲”,是对电流源周围磁场“卷曲”的量化。此外,从微积分中可以证明“散度卷曲的量为零。”这意味着这个方程意味着. 这很好,但在我们的电容器示例中不起作用:如果我们将回路绕在电容器之间的间隙周围会怎样?我们仍然有磁场,但没有电流。
对此的解决方案是添加第二种类型的电流,称为“位移电流”。正确的形式原来是。即电场的变化率。
所以我们把这个位移电流加到电流上。如果您查看麦克斯韦方程中的安培定律的形式,您会看到:
这意味着 1) 电荷运动或变化的电场都会导致磁场环绕它们,并且(因为),总充电电流加上位移电流的发散为零,这意味着它仅在回路中流动。
这个位移电流项实际上非常重要,不仅仅是因为数学对称性,而是因为它允许电磁波、AKA 光和无线电波。它允许远离任何自由电荷或磁性材料的自传播电场和磁场。
好的,那么这对于我们关于电流在回路中流动的直观想法意味着什么?如果只考虑电荷移动电流,那么它是一个近似值,只有在电场不及时变化时才成立。最重要的是,在导体内部也是如此,其中电场始终(几乎)为零。因此,在构成电路的电线中,电流只在回路中流动。但是,电荷会积聚在导体(例如电容器板)的表面或绝缘体或自由空间中。在那种情况下,“电流在回路中流动”的简单版本除了在稳态之外不再正确,但我们可以找到一个普遍遵守该规则的相关量。
带电粒子之间的电力非常强(*),但在大多数情况下,由于正电荷和负电荷往往大致相等,这一事实在很大程度上抵消了这一点。如果电子流入物体的速度超过流出的数量,而质子基本上保持不动,那么物体会迅速积聚电荷,试图将电子推出并阻止更多电子进入。尽管物体可能会产生一定量的静电荷,但通常不需要太多电流就能很快地产生巨大的电压。对于大多数实际目的,在足够的电荷积聚以防止更多电流流动之前,非微不足道的电流可以流入设备而没有平衡流出设备的时间量,
(*)即使电子的质量比油滴的质量小很多数量级,单个电子的电荷不平衡也会对下落油滴的路径产生可测量的影响。
电流不必循环流动,如果某物正在失去电荷(如太空中的热电子板),电荷会离开并且永远不会回来,因为电子会沸腾。电流由安培定律定义,您可以想象在板周围画一个表面,板会变得更负。我可以想象其他一些电流不会返回源头的东西,比如来自太阳的等离子体。
但是,如果您谈论的是来自导体的电流,则需要从某个地方参考电压源,并且电流总是流向较低的电压,因此如果您想产生更多电流,则需要参考。
你可以这样想:电压源好比水泵,电流好比水,它会一直往下流。接地 0V 就像所有水都流向的湖泊(或海洋)。为了让水流动,你需要从某个地方抽水,它会回到它可以到达的最低点。