¿Una partícula cargada en movimiento es una corriente eléctrica?

La respuesta más "autoritaria" sobre esto es mirar las ecuaciones de Maxwell, porque están en el corazón de la teoría EM.

Y la respuesta ahí es sí , sí cuenta como "actual" para sus fines, en cuanto contribuye a la$\mathbf{J}$término. El$\mathbf{J}$parte se define como

dónde$\rho_q$es el campo de densidad de carga y$\mathbf{v}$el campo de velocidad Una partícula corresponde a un pico delta en$\rho_q$, con una asignación puntual de velocidad ( no un delta) en$\mathbf{v}$en su posición, y mientras se mueve, entonces$\mathbf{J}$también tiene un pico delta. La corriente escalar más familiar$I$es una cantidad relacionada que es el flujo de densidad de corriente a través de una superficie, es decir

En este caso, la partícula cargada también puede proporcionar tal corriente, pero sólo lo hará cuando coincida exactamente con$S$. Si consideramos$S$una superficie general en su camino, eso significa que$I$Será entonces un pico delta en el tiempo , es decir, un "impulso" de corriente, exactamente en el punto donde la partícula cruza la superficie.

Ahora, usted puede preguntarse por qué para las corrientes "reales", que todavía están compuestas por el paso de muchos electrones individuales a través de una superficie, no las tomamos simplemente como un conjunto de picos delta de alta frecuencia. Las respuestas son al menos tres:

Una es que el modelo clásico de la carga en un material extenso como un alambre no es atómico; es una distribución continua. Por lo tanto, una partícula puntual se considera solo como un caso límite. Este es el caso de la física clásica en general, incluida la mecánica, es decir, el movimiento de la materia. Los cuerpos rígidos y los fluidos también se tratan de la misma manera. La materia clásica es continua; no presenta "átomos" y eso incluye partículas como los electrones. Tenga en cuenta que la ciencia en general se trata de crear modelos y no nos da "verdades absolutas". No hay nada de malo en modelar la materia con una distribución continua siempre y cuando no la mires demasiado de cerca.

La segunda razón es que, si decide mirar lo suficientemente de cerca, el modelo clásico de un montón de puntos en movimiento no funciona: la mecánica cuántica toma el control en ese punto, y para hacer la electrodinámica, tendrá que usar la mecánica cuántica. electrodinámica (QED).

La tercera y última razón es que, si bien podemos hacer un modelo de partículas clásico dentro del marco de Maxwell, es decir, tratar$\rho_q$como un enorme enjambre de picos delta, no es conveniente hacerlo. A la luz de que el modelo continuo clásico funciona para situaciones macroscópicas, y que lo microscópico no puede ser tratado fielmente con la mecánica clásica, se convierte simplemente en una complicación innecesaria.

En general, sí, es un flujo de carga.

Estrictamente no. Corriente (en un sentido cuantificable) significa carga que fluye a través de un área determinada por unidad de tiempo. No veo cómo puede aplicar esta definición al paso único de una carga a través de un área, incluso si conoce la velocidad de la carga. Asignar el tiempo necesario sería arbitrario.

Pero si sabe que hay n partículas por unidad de volumen, cada una con carga q y moviéndose con velocidad v en ángulo recto con respecto a un área A , entonces la corriente a través de A será

Si está preguntando sobre el movimiento de un solo electrón, entonces no, no constituye una corriente.

Cuando hablamos de una corriente, digamos a través de un cable, estamos viendo un movimiento neto de carga a través de una superficie definida durante un intervalo de tiempo. Por lo tanto, no tiene sentido definir una corriente para una sola carga. Si intentara hacer esto, contaría un electrón, y luego su "magnitud" de esta corriente dependería completamente del intervalo de tiempo que está mirando, yendo a$0$cuanto mayor es el tiempo después de que esta carga pasa a través de esta superficie.

Si está pensando en observar las corrientes en la magnetostática, entonces necesita corrientes que sean constantes en el espacio y el tiempo. Esto es análogo a que una sola carga sea la "unidad" de la electrostática. Un pequeño elemento de corriente es la "unidad" de la magnetostática (compare la Ley de Coulomb con la Ley de Biot-Savart).

Incluso si las corrientes no son constantes en el espacio o el tiempo, todavía necesitamos un flujo neto de cargas múltiples para hablar de corrientes. La idea de corriente es más una cosa "en promedio". Un solo electrón moviéndose en una línea es solo eso, un solo electrón moviéndose.

¿Cómo se define el flujo de agua? Puedes decir que es la cantidad de agua que pasa a través de una sección transversal en la unidad de tiempo. Pero, ¿qué se puede decir acerca de la molécula de agua? El mismo argumento vale para un electrón.

Definimos la corriente eléctrica con fines prácticos: no es tan "fundamental" como un electrón en física. Si desea definir la corriente eléctrica para un solo electrón, no está mal, pero podría ser útil o no (como el flujo de una molécula de agua 'única').

He estado tratando de entender esto también. Esto es lo que he podido averiguar hasta ahora. Acepto comentarios y correcciones.

Una partícula cargada en movimiento es eléctricamente equivalente a una corriente eléctrica incluso si no se puede calcular la corriente en el sentido convencional de medir culombios por segundo.

Podemos decir esto porque una corriente formada por muchas elecciones en movimiento en un cable tendrá un campo magnético correspondiente, pero un solo electrón en movimiento también tendrá un campo magnético correspondiente incluso si tratar de calcular la corriente en Culombios por segundo es ilógico y no posible.

Este fue el problema señalado por Maxwell a mediados del siglo XIX y abordado por su modificación de la ley de Ampère que define la relación de la corriente con el campo magnético. Requería la adición de un término que calculara la corriente total efectiva agregando un término para cambiar la fuerza del campo eléctrico.

La ley de Ampère relaciona una corriente a través de cualquier área cerrada con la integral del campo magnético alrededor del borde. Una corriente a través del área define la fuerza del campo magnético en el borde, pero un electrón que se aproxima al área, que crea un campo E creciente a través de la misma área, tiene el mismo efecto sobre el campo magnético que una corriente "real" a través del área.

Esta página web tiene una muy buena discusión sobre este tema, aunque no habla directamente sobre el tema de esta pregunta:

https://opentextbc.ca/universityphysicsv2openstax/chapter/maxwells-equations-and-electromagnetic-waves/

Entonces, en la página web anterior, vemos que la corriente equivalente creada por el campo eléctrico cambiante en una superficie abierta es:

𝜖ₒ re E/ dt

Donde 𝜖ₒ es la permitividad del vacío del espacio.

El valor de este término cambiará a medida que el electrón se acerque, atraviese y abandone la superficie utilizada en la ecuación. Entonces, no hay un solo "valor" de corriente para el electrón que se mueve a través del espacio, pero actúa como una corriente equivalente cambiante en las ecuaciones de Maxwell.

El movimiento de una sola partícula cargada por sí solo no constituye una corriente. La noción de corriente implica que hay un flujo de partículas portadoras de carga, ya sean electrones o protones. En particular, la noción de corriente surgió fenomenológicamente mucho antes de que se postulara y descubriera la noción atómica de electrón.

Para una partícula con carga$q,$velocidad$v$y posición$x'$puedes definir la corriente: