電流

電流是單位時間內通過某一截面積的A的總電荷,這個截面積可以是空氣,等離子體或者是溶液中的任意一截面積。

電流定義模型

 

如果在\Deltat時間內,通過某一段截面積的電荷量爲\DeltaQ,則定義平均電流_{}_{Iave}爲:

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

如果電流隨時間變化,定義\Deltat\rightarrow0時間的電流值爲瞬時電流,即瞬時電流是電荷通過某一截面時的變化率:

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

電流的單位時庫倫每秒,也稱爲安培(A):

                                                                  1A  =  1C/s

因爲安培是一個比較大的單位,因此,電流也常用毫安(1 mA = 10^{-3} A),微安(1 \muA=10^{-6} A)和納安(1 nA=10^{-9}A)來表示。

   在導體內,比如銅,電流是導體內自由電子的定向移動而形成的。每個銅原子有一個自由電子,單個自由電子電荷量爲:

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

這個電荷量與單個銅離子的電荷量相等,但是符號相反(原子失去一個電子形成正電荷,這些電子在導體內自由移動形成自由電子羣。失去電子的原子其質子數多於電子數)。 一個質子的電荷量爲:

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

由於導體內的質子和電子的數量相等,因此整個導體是中性的。如果流過銅導線的電流爲1A, 則在1s內穿過導線的橫截面的電子數量爲:

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

上式結果提出一個問題,即爲什麼每秒流過的電子量是負數?對這個問題只有兩種可能的解釋,要麼把電子流動的反方向定義爲電流,要麼讓正電荷取代電子在導線中運動,以上都可以解決符號問題。但是後一種解釋是不正確的,實驗證明,電子是自由運動的,而正電荷不能自由移動,他們被固定在導體的晶格中(需注意,有些介質中的正電荷可能會運動,如液體,氣體和等離子體中的正電荷是運動的),因此前一種稅法,即把電子流動的反方向規定爲電流的方向是正確的。把電子流動的反方向規定爲電流的方向。