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电流

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一个简单的电路,其中的电压和电流分别以小写字母 表示,电阻是
对于欧姆导体,电压、电流和电阻之间有 的关系。

电流英语:electric current)是电荷的流动[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,每秒通过1库仑电荷量称为1安培。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电解液内的离子等离子体内的电子和离子、强子内的夸克[2]。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,马达、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[3][4]。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[5]。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[6]

公式与单位[编辑]

电流的方向与正电荷在电路中移动的方向相同。实际上并不是正电荷移动,而是负电荷移动。电子流是电子(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),电量(单位是库仑),时间(单位是秒)。[7]

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]

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

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,任何电荷载子载子流都可以形成电流。

真空内,可以制作一个离子束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]

电流密度是一种度量,以矢量的形式定义,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,是截面面积矢量。[8]

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:

[9]

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

固体内的电流通常流动地非常慢。例如,假设截面面积为0.5 mm2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]

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

[10]

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[11][12]

直流[编辑]

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。[13]

交流[编辑]

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,像三角波方波。像调幅广播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[14],会造成极光北极光南极光)。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、离子的流动于电池神经细胞空穴的流动于半导体。

电击安全须知[编辑]

使用电的时候,必须特别注意到用电安全,才不致遭到电击意外。因为接触电源,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,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。

电器过热也很危险。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]. 
  2. ^ Anthony C. Fischer-Cripps. The electronics companion. CRC Press. 2004: 13. ISBN 9780750310123. 
  3. ^ T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 978-0-7487-6748-9.
  4. ^ Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 978-0-675-20449-1.
  5. ^ A-M Ampère, Recuil d'Observations Électro-dynamiques, p. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
  6. ^ Electric Power, vol. 6, p. 411, 1894.
  7. ^ 张大同. 创新班和理科班用. 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)‎). 
  8. ^ 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)‎). 
  9. ^ 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)‎). 
  10. ^ 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 
  11. ^ N. N. Bhargava and D. C. Kulshreshtha. Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. 1983: 90. ISBN 978-0-07-451965-3. 
  12. ^ National Electric Light Association. Electrical meterman's handbook. Trow Press. 1915: 81. 
  13. ^ Andrew J. Robinson, Lynn Snyder-Mackler. Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing 3rd. Lippincott Williams & Wilkins. 2007: 10. ISBN 978-0-7817-4484-3. 
  14. ^ 太空天气简介/什么是太阳风?