Electric current 一個簡單的電路,其中的電壓和電流分別以小寫字母
v
{\displaystyle {\begin{smallmatrix}v\end{smallmatrix}}}
和
i
{\displaystyle {\begin{smallmatrix}i\end{smallmatrix}}}
表示,電阻是
R
{\displaystyle {\begin{smallmatrix}R\end{smallmatrix}}}
。
對於
歐姆導體 ,電壓、電流和電阻之間有
v
=
i
R
{\displaystyle {\begin{smallmatrix}v=iR\end{smallmatrix}}}
的關係。
常見符號
I 国际单位 安培 單位因次
I
{\displaystyle {\mathsf {I}}}
從其他物理量的推衍
I
=
V
R
,
I
=
Q
t
{\displaystyle I={V \over R},I={Q \over t}}
因次
I
{\displaystyle {\mathsf {I}}}
電流 (electric current)是電荷 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 的電荷量稱为1安培 。“电流强度”也常直接简称为“电流”[3] 或称为“电流量”。
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 、電漿 內的電子和離子、強子 內的夸克 [4] 。這些載子的移動,形成了電流。
有一些效應和電流有關,例如電流的熱效應 ,根據安培定律 ,電流也會產生磁場,馬達、電感和發電機都和此效應有關。
符號
電流慣例上的符號是
I
{\displaystyle I}
,來自法語intensité de courant ,意為電流強度[5] [6] 。符號
I
{\displaystyle I}
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[7] 。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
C
{\displaystyle C}
表示電流,而不是用現在常見的
I
{\displaystyle I}
[8] 。
公式与单位
電流的方向被定義為與正電荷在電路 中移動的方向相同,但實際上並不是正電荷移動,而是負電荷移動。電子流 是自由電子 (負電荷)在電路中的移動,其方向為電流的反向。電流強度可以用公式表達為
I
=
Q
t
{\displaystyle I={\frac {Q}{t}}}
其中,
I
{\displaystyle I}
為電流(單位是安培),
Q
{\displaystyle Q}
為電量 (單位是庫侖),
t
{\displaystyle t}
為時間 (單位是秒)。[9]
物理概念
在各種介質內的電流的物理性質
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。
一縷一縷銅絲 共同組成傳導電流的電線 。
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 [10] 。
對於穩定的電流,電流量
I
{\displaystyle I}
可以用以下方程式計算:
I
=
Q
t
{\displaystyle I={Q \over t}}
其中,
Q
{\displaystyle Q}
是傳輸的電荷,
t
{\displaystyle t}
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 :
I
=
d
q
d
t
{\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}}
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,
I
=
J
⋅ ⋅ -->
A
{\displaystyle I=\mathbf {J} \cdot \mathbf {A} }
其中,
I
{\displaystyle I}
是電流,
J
{\displaystyle \mathbf {J} }
是電流密度,
A
{\displaystyle \mathbf {A} }
是截面面積向量。[11]
根據歐姆定律 的另一種形式,電流密度與電場
E
{\displaystyle \mathbf {E} }
和物質的電導率
σ σ -->
{\displaystyle \sigma }
的關係可以表達為
J
=
σ σ -->
E
{\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }
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:
I
=
n
q
A
v
{\displaystyle I=nqAv}
[12]
其中,
I
{\displaystyle I}
是電流,
n
{\displaystyle n}
是單位體積的載子數目(載子密度),
q
{\displaystyle q}
是每一個載子的電荷量,
A
{\displaystyle A}
是導體的截面面積,
v
{\displaystyle v}
是漂移速度。
固體內的電流通常流動的非常慢。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 。
電磁性質
根據安培定律 ,電流會產生磁場。
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。如果改用間接測量電流四周的磁場的方法,也可以測量出電流強度,同时不需要切斷電路。應用這方法來測量電流的儀器有霍爾效應 感測器 、電流鉗 、變流器 、罗果夫斯基线圈 。
歐姆定律
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 :
I
=
V
R
{\displaystyle I={\frac {V}{R}}}
[13]
其中,
I
{\displaystyle I}
是電流(單位是安培),
V
{\displaystyle V}
是電壓(單位是伏特),
R
{\displaystyle R}
是電阻(單位是歐姆)。
常規
電流方向
簡圖表示出常規電流的流向和電子的流向。正電荷(紅線)從電源的正極移動到負極,而電子(綠線)則從負極移動到正極。
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 [14] [15] 。
直流
直流(DC)原來的英文名稱是galvanic current,也稱原義是指電荷 的單向流動,一般是由像電池 、太陽能電池 等設備產生。直流電流可以在導體 (例如電線)中流動,也可以在半導體 、絕緣體 中流動,甚至在真空也可以以離子束 的方式流動。在直流電中,電子以固定的方向流動,和交流電不同。[16]
交流
交流(AC)原義是指電荷 的運動會週期性的變換方向,和直流不同,直流電流的電荷只會單方向流動。一般商業、家用及工業用電多半是交流電,例如一般插座 提供的電就是交流電。最常見的交流電波形是正弦波 ,但在特殊應用中也會出現其他的波形,像三角波 或方波 。像調幅廣播 及調頻廣播 的訊號也是交流的例子之一,其目的是在利用調變 技術,在交流訊號中加入要傳遞的訊號後傳遞,而接收端可以再還原為原始的訊號。
交流訊號有週期性的變化,其週期的倒數即為頻率 ,常見的電源頻率為50或60Hz。有些交流訊號的頻率為定值,也有些不是定值,像调频广播 的頻率就不是固定值。
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[17] ,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,有很大的關係。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[18] 。
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。
參閱
參考文獻
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