电流

电流是单位时间内通过某一截面积的A的总电荷,这个截面积可以是空气,等离子体或者是溶液中的任意一截面积。

电流定义模型

 

如果在\Deltat时间内,通过某一段截面积的电荷量为\DeltaQ,则定义平均电流_{}_{Iave}为:

                                                 _{Iave}\frac{\Delta Q}{\Delta t}

如果电流随时间变化,定义\Deltat\rightarrow0时间的电流值为瞬时电流,即瞬时电流是电荷通过某一截面时的变化率:

                                                                            I = \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\frac{\Delta Q}{\Delta t} = \frac{dQ}{dt}

电流的单位时库伦每秒,也称为安培(A):

                                                                  1A  =  1C/s

因为安培是一个比较大的单位,因此,电流也常用毫安(1 mA = 10^{-3} A),微安(1 \muA=10^{-6} A)和纳安(1 nA=10^{-9}A)来表示。

   在导体内,比如铜,电流是导体内自由电子的定向移动而形成的。每个铜原子有一个自由电子,单个自由电子电荷量为:

                                           Q_{electron} = (-e) = -1.602 X 10^{-19}C

这个电荷量与单个铜离子的电荷量相等,但是符号相反(原子失去一个电子形成正电荷,这些电子在导体内自由移动形成自由电子群。失去电子的原子其质子数多于电子数)。 一个质子的电荷量为:

                                               Q_{proton} = (+e) = +1.602 X 10^{-19}C

由于导体内的质子和电子的数量相等,因此整个导体是中性的。如果流过铜导线的电流为1A, 则在1s内穿过导线的横截面的电子数量为:

                                      1A =\left ( \frac{1C}{1s} \right )\left ( \frac{E}{-1.602\times10 ^{-19}} C\right )=-6.242\times^{^{}}_{_{}}10^{18}电子/s

上式结果提出一个问题,即为什么每秒流过的电子量是负数?对这个问题只有两种可能的解释,要么把电子流动的反方向定义为电流,要么让正电荷取代电子在导线中运动,以上都可以解决符号问题。但是后一种解释是不正确的,实验证明,电子是自由运动的,而正电荷不能自由移动,他们被固定在导体的晶格中(需注意,有些介质中的正电荷可能会运动,如液体,气体和等离子体中的正电荷是运动的),因此前一种税法,即把电子流动的反方向规定为电流的方向是正确的。把电子流动的反方向规定为电流的方向。