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电流

电荷的定向移动

电流（electric current）是电荷在电场或（半）导体内的平均定向移动[1]。电流的方向，定义为正电荷移动的方向；电流的大小，则称为电流强度（current intensity），是指单位时间内通过导线某一截面的电荷净转移量[2]，每秒通过1库仑的电荷量称为1安培。“电流强度”也常直接简称为“电流”[3]或称为“电流量”。

Electric current
一个简单的电路，其中的电压和电流分别以小写字母 和 表示，电阻是。
对于欧姆导体，电压、电流和电阻之间有 的关系。
常见符号
I
国际单位安培
单位量纲
从其他物理量的推衍
量纲

安培是国际单位制七个基本单位之一[1]。安培计是专门测量电流的仪器[1]。

有很多种承载电荷的载子，例如，导电体内可移动的电子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克[4]。这些载子的移动，形成了电流。

有一些效应和电流有关，例如电流的热效应，根据安培定律，电流也会产生磁场，电动机、电感和发电机都和此效应有关。

符号 编辑

电流惯例上的符号是  ，来自法语intensité de courant，意为电流强度[5][6]。符号   最早是由法国科学家安德烈-马里·安培 (André-Marie Ampère) 使用，电流单位安培也因此来命名[7]。此标记法由法国流传到英国，成了那里的标准，但在1896年时仍有期刊用 表示电流，而不是用现在常见的 [8]。

公式与单位 编辑

电流的方向被定义为与正电荷在电路中移动的方向相同，但实际上并不是正电荷移动，而是负电荷移动。电子流是自由电子（负电荷）在电路中的移动，其方向为电流的反向。电流强度可以用公式表达为

 

其中， 为电流（单位是安培）， 为电量（单位是库仑）， 为时间（单位是秒）。[9]

物理概念 编辑

在各种介质内的电流的物理性质 编辑

金属 编辑

在固态金属导体内，有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚于任何特定原子，但都束缚于金属的晶格内。甚至于在没有外电场作用下，因为热能，这些电子仍旧会随机地移动。但是，在导体内，平均净电流是零。挑选导线内部任意截面，在任意时间间隔内，从截面一边移到另一边的电子数目，等于反方向移过截面的数目。如同乔治·伽莫夫在他发表于1947年的科学畅销书《One, Two, Three…Infinity》谈到：

金属物质与其它物质不同的地方，在于其最外层的电子很松弛地束缚于原子，电子能够很容易地逃离原子。因此，满布于金属的内部，有很多未被束缚的电子，毫无目标地游动，就好像一群无家可归的醉汉。当施加电压于一根金属导线的两端，这些自由电子会朝着电势高的一端奔去，这样，形成了电流。
 
一缕一缕铜丝共同组成传导电流的电线。

给予一个直流的电压源，例如，电池，当连接一根导线于它的两个接头时，电压源会施加电场于整个导线。在连接动作完成的同时，导线的自由电子会感受到电场力，因而往正极接头漂移。在这里，自由电子是电荷载子。假设在一秒内，一库仑（6.242 × 1018个电子）的电荷漂移过导线的任意截面，则电流为一安培[10]。

对于稳定的电流，电流量 可以用以下方程计算：

 

其中， 是传输的电荷， 是时间。

更一般地，电流可以表达为电荷随时间的变化率，也就是电荷对于时间的导数：

 

其它介质 编辑

在固态金属内，电荷流动的载子是电子，从低电势流到高电势。在其它种介质内，任何电荷载子的载子流都可以形成电流。

在真空内，可以制作一个离子束（英语：Ion beam）或电子束。这也是一种电流。在有些传导性物质内，电流是由正电荷载子和负电荷载子共同形成的。在像质子导体（英语：Proton conductor）一类的物质内，电流可能完全是由正电荷载子形成。例如，在水溶液内，电解质会导电，电流内的正价氢离子（质子）朝着某方向流动，负价的硫酸根离子朝着反方向流动。在电花（英语：Electric spark）或等离子体内的电流内有电子、正离子、负离子。在半导体内，可以视电流为正值空穴（一个呈电中性的原子，由于少了一个负电的电子，所以那里就会呈现出一个正电性的空位）的流动。这种半导体称为P型半导体。

电流密度 编辑

主条目：电流密度

电流密度是一种度量，以向量的形式定义，其方向是电流的方向，其大小是单位截面面积的电流。采用国际单位制，电流密度的单位是“安培／平方米”。用方程表达，

 

其中， 是电流， 是电流密度， 是截面面积向量。[11]

根据欧姆定律的另一种形式，电流密度与电场 和物质的电导率 的关系可以表达为

 

漂移速度 编辑

在导体内，可移动的电荷载子不停的随机移动，就像气体的粒子。为了要有净电流，电荷载子移动的平均漂移速度必须不等于零。电子是金属的电荷载子。电子移动的路径没有任何规律，从一个原子撞到另一个原子，但大致朝着电场的方向漂移。它们漂移的速度可以由以下方程给出：

  [12]

其中， 是电流， 是单位体积的载子数目（载子密度）， 是每一个载子的电荷量， 是导体的截面面积， 是漂移速度。

固体内的电流通常流动的非常慢。例如，假设截面面积为0.5 mm2的铜线，载有电流5安培。那么，其电子的漂移速度大约为1毫米每秒。再举一个例子来比较，在阴极射线管的近真空内，电子移动的速度大约为光速的十分之一。

呈加速度运动中的电荷，会产生电磁波。因此，随着时间变化的电流，会产生电磁波，以非常高的速度，传播于导体之外。电磁波传播的速度通常相当接近光速，比漂移速度快很多倍。这事实的相关理论可以由麦克斯韦方程组推导出。在电线里的交流电流，可以从源头传输电力到很远的负载点，虽然，在电线里的电子只来来回回地移动很少的距离。

电磁波的传播速度和自由空间的光速的比例，称为速度因子（英语：Velocity factor），与导体的电磁性质和外面包装的绝缘体、形状、尺寸等等有关。

漂移速度、传播速度、随机运动速度，这三种速度可以类比于气体的三种速度。比较慢的电子漂移速度类比于风速。比较快的电磁波传播速度类比于气体的音速。电子的随机运动类比于气体粒子的热速度（英语：Thermal velocity）。

电磁性质 编辑

 
根据安培定律，电流会产生磁场。

导线所载有的电流，会在四周产生磁场，其磁场线是以同心圆图案环绕着导线的四周。

使用电流表可以直接地测量电流。但这方法的缺点是必须切断电路，将电流表置入电路中间。如果改用间接测量电流四周的磁场的方法，也可以测量出电流强度，同时不需要切断电路。应用这方法来测量电流的仪器有霍尔效应感测器、电流钳、变流器、罗果夫斯基线圈（英语：Rogowski coil）。

欧姆定律 编辑

主条目：欧姆定律

欧姆定律阐明，通过一个理想电阻器的电流，等于电阻器两端的电压除以电阻：

  [13]

其中， 是电流（单位是安培）， 是电压（单位是伏特）， 是电阻（单位是欧姆）。

常规 编辑

电流方向 编辑

 
简图表示出常规电流的流向和电子的流向。正电荷（红线）从电源的正极移动到负极，而电子（绿线）则从负极移动到正极。

正电荷的流动给出的电流，跟负电荷的反方向流动给出的电流相同。因此，在测量电流时，流动的电荷的正负值通常可以忽略。根据常规，假设所有流动的电荷都具有正值，称这种流动为常规电流。常规电流代表电荷流动的净效应，不需顾虑到载子的电荷的正负号是什么。

在固态金属内，正电荷载子不能流动，只有电子流动。由于电子载有负电荷，在金属内的电子流动方向与常规电流的方向相反。

电路内的电流参考方向 编辑

当解析电机电路问题时，通常，工程师并不知道电流通过一个电路元素的真实方向。对于电路的解析，这并不重要，工程师可以任意地设定每一个电流变量的参考方向。当电机电路问题解析完毕后，通过电路元素的电流可能会拥有正值或负值。负值电流意指著，通过电路元素的电流的真实方向，相反于参考方向。

交流和直流 编辑

交流（AC）和直流（DC）是二种不同的电气讯号型式，AC是变动电流（alternating current）的简称，原意是指周期性正负变化的电流，DC是直接电流（direct current）的简称，原意是指方向固定不变的电流，不过除了形容电流外，也常用交流和直流来形容电压[14][15]。

直流 编辑

主条目：直流

直流（DC）原来的英文名称是galvanic current，也称原义是指电荷的单向流动，一般是由像电池、太阳能电池等设备产生。直流电流可以在导体（例如电线）中流动，也可以在半导体、绝缘体中流动，甚至在真空也可以以离子束的方式流动。在直流电中，电子以固定的方向流动，和交流电不同。[16]

交流 编辑

主条目：交流电

交流（AC）原义是指电荷的运动会周期性的变换方向，和直流不同，直流电流的电荷只会单方向流动。一般商业、家用及工业用电多半是交流电，例如一般插座提供的电就是交流电。最常见的交流电波形是正弦波，但在特殊应用中也会出现其他的波形，像三角波或方波。像调幅广播及调频广播的讯号也是交流的例子之一，其目的是在利用调变技术，在交流讯号中加入要传递的讯号后传递，而接收端可以再还原为原始的讯号。

交流讯号有周期性的变化，其周期的倒数即为频率，常见的电源频率为50或60Hz。有些交流讯号的频率为定值，也有些不是定值，像调频广播的频率就不是固定值。

自然发生形式 编辑

在大自然可以观测到的电流有闪电和太阳风等等例子。太阳风是从恒星上层大气射出的超高速（带电粒子）流[17]，会造成极光（北极光和南极光）。人造的电流包括传导电子的流动于金属导线、高压电线的长距离传输电力、电机设备内的细小导线、电路板的金属线路等等。在电子学里，电流的形式包括电子的流动通过电阻器、电子的移动通过真空管的真空、离子的流动于电池或神经细胞、空穴的流动于半导体。

电击安全须知 编辑

使用电器的时候，必须特别注意到用电安全，才不致遭到电击意外。当接触电源，身体的某一部位有电流通过时，我们说此部位遭到电击。电流通过身体的流量大小和时间长短决定了电击的后果。这与接触的程度、身体的部位、电源的电压等等，有很大关系。虽然微小的电击只会产生刺痛感觉，但是大幅度的电击，假若接触到皮肤，会造成严重灼伤，假若通过心脏，会造成心搏停止。电击的后果因人而异[18]。

电器过热也很危险，因为电线的绝缘体会熔化，引起短路。超过负载限度的高压电线时常会造成火灾。将一个很小的三号电池跟金属钱币放在口袋里，很可能会引起短路，使得电池和钱币快速加热，因而造成灼伤。镍镉电池、镍氢电池、锂电池，这三种电池特别危险，由于内电阻很低，它们可以给出很大的电流。

参阅 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho. Learn Physics Today!. Lima, Peru: Colegio Dr. Franklin D. Roosevelt. March 1998 [2009-03-10]. （原始内容存档于2009-02-27）. 
  2. ^ 存档副本. [2022-07-18]. （原始内容存档于2022-07-18）. 
  3. ^ K. S. Suresh Kumar, Electric Circuit Analysis, Pearson Education India, 2013,ISBN 9332514100, section 1.2.3 "'Current intensity' is usually referred to as 'current' itself."
  4. ^ Anthony C. Fischer-Cripps. The electronics companion. CRC Press. 2004: 13. ISBN 9780750310123. 
  5. ^ T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 978-0-7487-6748-9.
  6. ^ Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 978-0-675-20449-1.
  7. ^ A-M Ampère, Recuil d'Observations Électro-dynamiques （页面存档备份，存于互联网档案馆）, p. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
  8. ^ Electric Power （页面存档备份，存于互联网档案馆）, vol. 6, p. 411, 1894.
  9. ^ 张大同. 創新班和理科班用. 物理. 高中. 下册. 上海: 上海教育出版社. 2012年8月: P67. ISBN 978-7-5444-4044-8 （中文（中国大陆））. 
  10. ^ Lüders, Klaus; Robert Otto Pohl, Pohls Einführung in die Physik: Band 2: Elektrizitätslehre und Optik Auflage: 24, Deutschland: Springer Spektrum: 7–12, 2018, ISBN 978-3-662-54854-7 
  11. ^ 程稼夫. 中学奥林匹克竞赛物理教程. 电磁学篇. 中国科技大学出版社. 2004年3月: P103. ISBN 978-7-312-01648-6 （中文（中国大陆））. 
  12. ^ 程稼夫. 中学奥林匹克竞赛物理教程. 电磁学篇. 中国科技大学出版社. 2004年3月: 104. ISBN 978-7-312-01648-6 （中文（中国大陆））. 
  13. ^ Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker, Fundamental of Physics 7th, USA: John Wiley and Sons, Inc.: pp. 691–692, 2005, ISBN 0-471-23231-9 
  14. ^ N. N. Bhargava and D. C. Kulshreshtha. Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. 1983: 90 [2013-11-27]. ISBN 978-0-07-451965-3. （原始内容存档于2014-01-01）. 
  15. ^ National Electric Light Association. Electrical meterman's handbook. Trow Press. 1915: 81 [2013-11-27]. （原始内容存档于2014-01-01）. 
  16. ^ Andrew J. Robinson, Lynn Snyder-Mackler. Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing 3rd. Lippincott Williams & Wilkins. 2007: 10 [2013-11-27]. ISBN 978-0-7817-4484-3. （原始内容存档于2014-01-03）. 
  17. ^ 太空天氣簡介/什麼是太陽風？. [2013-11-27]. （原始内容存档于2014-01-08）. 
  18. ^ Gallauziaux, Thierry; David Fedullo, Le grand livre de l'électricité 5è édition, France: Eyrolles: 182–185, 2018, ISBN 978-2-21267-606-8 
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