电流
電流是電荷的平均定向移动[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库仑的電荷量稱为1安培。安培是國際單位制七個基本單位之一[1]。安培計是專門測量電流的儀器[1]。
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。
符號
電流慣例上的符號是,來自法語intensité de courant,意為電流強度[3][4]。符號最早是由法國科學家安德烈-馬里·安培 (André-Marie Ampère) 使用,電流單位安培也因此來命名[5]。此標記法由法國流傳到英國,成了那裏的標準,但在1896年時仍有期刊用表示電流,而不是用現在常見的[6]。
物理概念
金屬
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,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[8]。
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
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()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()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()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
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。[9]
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
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),是每一個載子的電荷量,是導體的截面面積,是漂移速度。
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安培。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(),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()。
常規
電流方向
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
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。
交流和直流
交流(AC)和直流(DC)是二種不同的電氣訊號型式,AC是變動電流(alternating current)的簡稱,原意是指週期性正負變化的電流,DC是直接電流(direct current)的簡稱,原意是指方向固定不變的電流,不過除了形容電流外,也常用交流和直流來形容電壓[12][13]。
自然發生形式
在大自然可以觀測到的電流有閃電和太陽風等等例子。太陽風是從恆星上層大氣射出的超高速(帶電粒子)流[15],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。
電擊安全須知
使用電器的時候,必須特別注意到用電安全,才不致遭到電擊意外。當接觸電源,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和時間長短決定了電擊的後果。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,但是大幅度的電擊,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。電擊的後果因人而異[16]。
電器過熱也很危險,因為電線的絕緣體會熔化,引起短路。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。
參考文獻
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