电流
電流是指一群电荷的流动[1]。电流的大小称为电流强度，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过一库仑的電量稱为一「安培」（Ampere）。安培是國際單位制中的一種基本單位[1]。電流表是專門測量電流的儀器
大自然有很多種承載電荷的載子，例如，導電體內可移動的電子、電解液內的離子、電漿內的電子和離子、強子內的夸克[2]。這些載子的移動，形成了電流。
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公式与单位 [编辑]
電流的方向與正電荷在電路中移動的方向相同。實際上並不是正電荷移動，而是負電荷移動。電子流是電子（負電荷)在電路中的移動，其方向為電流的反向。电流强度可以用公式表達為
；
；物理概念 [编辑]
在各種介質內的電流的物理性質 [编辑]
金屬 [编辑]
在固態金屬導體內，有很多可移動的自由電子。雖然這些電子並不束縛於任何特定原子，但都束縛於金屬的晶格內。甚至於在沒有外電場作用下，因為熱能 (thermal energy) ，這些電子仍舊會隨機地移動。但是，在導體內，平均淨電流是零。挑選導線內部任意截面，在任意時間間隔內，從截面一邊移到另一邊的電子數目，等於反方向移過截面的數目。如同喬治·伽莫夫在他發表於 1947 年的科學暢銷書《One, Two, Three…Infinity》談到：
金屬物質與其它物質不同的地方，在於其最外層的電子很鬆弛地束縛於原子，電子能夠很容易地逃離原子。因此，滿佈於金屬的內部，有很多未被束縛的電子，毫無目標地游動，就好像一群無家可歸的醉漢。當施加電壓於一根金屬導線的兩端，這些自由電子會朝著電勢高的一端奔去，這樣，形成了電流。
給予一個直流的電壓源，例如，電池，當連接一根導線於它的兩個接頭時，電壓源會施加電場於整個導線。在連接動作完成的同時，導線的自由電子會感受到電場力，因而往正極接頭漂移。在這裏，自由電子是電荷載子。假設在一秒內，一庫侖（6.242 × 1018 個電子）的電荷漂移過導線的任意截面，則電流為一安培。
對於穩定的電流，電流量 
可以用以下方程式計算：
；
；其中，
是傳輸的電荷，
是時間。
更一般地，電流可以表達為電荷隨時間的變化率，也就是電荷對於時間的導數：
。
。其它介質 [编辑]
在固態金屬內，電荷流動的載子是電子，從低電勢流到高電勢。在其它種介質內，任何電荷載子的載子流都可以形成電流。
在真空內，可以製作一個離子束 (ion beam) 或電子束。這也是一種電流。在有些傳導性物質內，電流是由正電荷載子和負電荷載子共同形成的。在像質子導體 (proton conductor) 一類的物質內，電流可能完全是由正電荷載子形成。例如，在水溶液內，電解質會導電，電流內的正價氫離子（質子）朝著某方向流動，負價的硫酸根離子朝著反方向流動。在電花 (spark) 或電漿內的電流內有電子、正離子、負離子。在半導體內，可以視電流為正值電洞（一個呈電中性的原子，由於少了一個負電的電子，所以那裡就會呈現出一個正電性的空位）的流動。這種半導體稱為 p型半導體。
電流密度 [编辑]
電流密度是一種度量，以向量的形式定義，其方向是電流的方向，其大小是單位截面面積的電流。採用國際單位制，電流密度的單位是「安培／平方公尺」。用方程式表達，
；
；其中， 是電流，
是電流密度，
是截面面積向量。
根據歐姆定律的另一種形式，電流密度與電場 
和物質的電導率 
的關係可以表達為
。
。漂移速度 [编辑]
在導體內，可移動的電荷載子不停的隨機移動，就像氣體的粒子。為了要有淨電流，電荷載子移動的平均漂移速度必須不等於零。電子是金屬的電荷載子。電子移動的路徑沒有任何規律，從一個原子撞到另一個原子，但大致朝著電場的方向漂移。它們漂移的速度可以由以下方程式給出：
；
；其中， 是電流，
是單位體積的載子數目（載子密度），
是導體的截面面積，
是漂移速度， 是每一個載子的電荷量。
固體內的電流通常流動地非常慢。例如，假設截面面積為 0.5 mm2 的銅線，載有電流 5安 。那麼，其電子的漂移速度大約為 1 毫米每秒 。再擧一個例子來比較，在陰極射線管的近真空內，電子移動的速度大約為光速的十分之一。
呈加速度運動中的電荷，會產生電磁波。因此，隨著時間變化的電流，會產生電磁波，以非常高的速度，傳播於導體之外。電磁波傳播的速度通常相當接近光速，比漂移速度快很多倍。這事實的相關理論可以由馬克士威方程組推導出。在電線裏的交流電流，可以從源頭傳輸電力到很遠的負載點，雖然，在電線裏的電子只來來回回地移動很少的距離。
電磁波的傳播速度和自由空間的光速的比例，稱為速度因子 (velocity factor) ，與導體的電磁性質和外面包裝的絕緣體、形狀、尺寸等等有關。
漂移速度、傳播速度、隨機運動速度，這三種速度可以類比於氣體的三種速度。比較慢的電子漂移速度類比於風速。比較快的電磁波傳播速度類比於氣體的音速。電子的隨機運動類比於氣體粒子的熱速度 (thermal velocity) 。
電磁性質 [编辑]
導線所載有的電流，會在四周產生磁場，其磁場線是以同心圓圖案環繞著導線的四周。
使用電流表可以直接地測量電流。但這方法的缺點是必須切斷電路，將電流表置入電路中間。間接地測量伴電流四周的磁場，也可以測量出電流強度。優點是，不需要切斷電路。應用這方法來測量電流的儀器有霍爾效應感測器、電流鉗 (current clamp) , 變流器 (current transformer) 、 Rogowski coil 等等。
歐姆定律 [编辑]
歐姆定律闡明，通過一個理想電阻器的電流，等於電阻器兩端的電壓除以電阻：
；
；其中， 是電流（單位是安培），
是電壓（單位是伏特），
是電阻（單位是歐姆）。
常規 [编辑]
電流方向 [编辑]
正電荷的流動給出的電流，跟負電荷的反方向流動給出的電流相同。因此，在測量電流時，流動的電荷的正負值通常可以忽略。根據常規，假設所有流動的電荷都具有正值，稱這種流動為常規電流。常規電流代表電荷流動的淨效應，不需顧慮到載子的電荷的正負號是什麼。
在固態金屬內，正電荷載子不能流動，只有電子流動。由於電子載有負電荷，在金屬內的電子流動方向與常規電流的方向相反。
電路內的電流參考方向 [编辑]
當解析電機電路問題時，通常，工程師並不知道電流通過一個電路元素的真實方向。對於電路的解析，這並不重要，工程師可以任意地設定每一個電流變量的參考方向。當電機電路問題解析完畢後，通過電路元素的電流可能會擁有正值或負值。負值電流意指著，通過電路元素的電流的真實方向，相反於參考方向。
自然發生形式 [编辑]
在大自然可以觀測到的電流有閃電和太陽風等等例子。太陽風會造成極光（北極光和南極光）。人造的電流包括傳導電子的流動於金屬導線、高壓電線的長距離傳輸電力、電機設備內的細小導線、電路板的金屬線路等等。在電子學裏，電流的形式包括電子的流動通過電阻器、電子的移動通過真空管的真空、離子的流動於電池或神經細胞、電洞的流動於半導體。
電機安全須知 [编辑]
使用電的時候，必須特別注意到用電安全，才不致遭到電擊意外。因為接觸電源，身體的某一部位有電流通過時，我們說此部位遭到電擊。電流通過身體的流量大小決定了電擊的後果。這與接觸的程度、身體的部位、電源的電壓等等，有很大關係。雖然微小的電擊只會產生刺痛感覺，大幅度的電擊，假若接觸到皮膚，會造成嚴重灼傷，假若通過心臟，會造成心搏停止 (cardiac arrest) 。電擊的後果因人而異。
電器過熱也很危險。超過負載限度的高壓電線時常會造成火災。將一個很小的三號電池跟金屬錢幣放在口袋裡，很可能會引起短路，使得電池和錢幣快速加熱，因而造成灼傷。鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池，這三種電池特別危險，由於內電阻很低，它們可以給出很大的電流。
參閱 [编辑]
參考文獻 [编辑]
- ^ 1.0 1.1 Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho. Learn Physics Today!. Lima, Peru: Colegio Franklin D. Roosevelt. 1998.March [2009-03-10].
- ^ Anthony C. Fischer-Cripps. The electronics companion. CRC Press. 2004: 13. ISBN 9780750310123.
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