电流

电流
简单的电路，其中电流由字母i表示。电压（ V ），电阻（ R ）和电流（ I或I ）之间的关系为V = IR ；这被称为欧姆定律。
常见符号	I
SI单元	安培
来自其他数量的派生
方面

电流是带电颗粒（例如电子或离子）的流动流，它穿过电导体或空间。它被定义为电荷流动的净速率。移动颗粒称为荷载载流子，这可能是几种类型的颗粒之一，具体取决于导体。在电路中，电荷载体通常是通过电线移动的电子。在半导体中，它们可以是电子或孔。在电解质中，电荷载体是离子，而在离子气体中，它们是离子和电子。

在国际单位系统（SI）中，电流以安培的单位表示（有时称为“放大器”，符号A），相当于每秒一个库仑。安培是SI基础单元，电流是国际数量系统（ISQ）的基本数量。电流也称为Amperage ，并使用称为电流表的设备进行测量。

电流会产生磁场，这些磁场用于电动机，发电机，电感器和变压器。在普通导体中，它们会导致焦耳加热，从而在白炽灯泡中产生光。时变电流发射电磁波，在电信中用于广播信息。

象征

当前的传统符号是I ，它源自法国短语IntensitéduCourant （电流强度）。电流强度通常简单地称为电流。 André-MarieAmpère使用了I符号，其命名为电流单位，以制定Ampère'sForce Law （1820）。该符号从法国到英国，在那里成为标准的符号，尽管至少有一个期刊从使用C到1896年才变化。

会议

电流的常规方向，也称为常规电流，被任意定义为正电荷流动的方向。在导电材料中，构成电流的移动带电颗粒称为电载体。在构成大多数电路的电线和其他导体的金属中，原子的正带正电荷原子核保持固定位置，负电荷的电子是电荷载体，可以在金属中自由移动。在其他材料（尤其是半导体）中，电荷载体可能是正面的或负的，具体取决于使用的掺杂剂。正常电荷载体甚至可以同时存在，就像电化学电池中电解质中发生的那样。

正电荷的流动产生相同的电流，并且在电路中具有相同的效果，作为在相反方向上的负电荷相等的流动。由于电流可以是正电荷或负电荷的流量，也可以是独立于电荷载体类型的电流方向所需的惯例。带负电荷的载体，例如电子（金属电线中的电荷载体和许多其他电子电路组件），因此在电路中传统电流流的相反方向流动。

参考方向

电线或电路元件中的电流可以在两个方向中的任何一个中流动。定义变量以表示电流时，通常必须通过电路示意图上的箭头来指定代表正电流的方向。这称为电流的参考方向。在分析电路时，在分析完成之前，通常未知电流通过特定电路元件的实际方向。因此，电流的参考指示通常是任意分配的。当求解电路时，电流的负值意味着通过该电路元件的电流方向与所选参考方向相反。

欧姆定律

欧姆定律指出，通过两个点之间的导体电流与两个点之间的电势差成正比。引入比例性的常数，抵抗力，一个人到达描述这种关系的通常数学方程式：

如果我以安培单位为单位通过导体的电流，则V是在电压单位上测量的整个导体的电势差，而R是欧姆单位的导体的电阻。更具体地说，欧姆的定律指出，这种关系中的R是恒定的，与当前无关。

交流和直流

在交替的电流（AC）系统中，电荷的移动会定期逆转方向。 AC是最常见的电力形式，最常见于企业和住宅。 AC功率电路的通常波形是正弦波，尽管某些应用使用替代波形，例如三角波或方波。电线上携带的音频和无线电信号也是交替电流的示例。这些应用程序中的一个重要目标是将编码（或调制）的信息恢复到交流信号上。

相比之下，直流电流（DC）是指在一个方向上电荷移动（有时称为单向流）的系统。直流电流由电池，热电偶，太阳能电池和换向器型电机等来源产生。交替的电流也可以通过使用整流器转换为直流电流。直流电流可能流在导体中，例如电线，但也可以流过半导体，绝缘子，甚至通过真空，如电子或离子束中的真空。直流电的旧名称是电流。

发生

电流的天然可观察示例包括闪电，静电排放和太阳风，这是极光的来源。

人工电流的发生包括金属线中的传导电子流，例如跨越远距离的电能和电气和电子设备中较小的电线。涡流是在暴露于变化磁场的导体中发生的电流。同样，电流发生，特别是在表面，暴露于电磁波的导体的表面。当振荡电流以无线电天线内的正确电压流动时，会产生无线电波。

在电子设备中，其他形式的电流包括电子通过电阻的流动或真空管中的真空，电池内的离子流以及金属和半导体内的孔流动。

电流的一个生物学例子是神经元和神经中离子的流动，造成了思想和感觉感知。

测量

电流可以使用电流表进行测量。

电流可以用电力计直接测量，但是该方法涉及破坏电路，这有时不便。

电流也可以通过检测与电流相关的磁场来测量电路。电路级别的设备使用各种技术来测量电流：

• 分流电阻
• 霍尔效应电流传感器传感器
• 变压器（但是无法测量DC）
• 磁磁场传感器
• Rogowski线圈
• 当前夹具

电阻加热

焦耳加热，也称为欧姆加热和电阻加热，是功率耗散的过程，通过该过程，电流通过导体通过导体增加导体的内部能量，将热力学工作转化为热量。该现象首先是由詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）于1841年研究的。焦耳将一条电线浸入了固定的水中，并测量了30分钟通过电线的已知电流导致的温度升高。通过改变电线的电流和长度，他推断出产生的热量与电流的平方成正比，乘以电线的电阻。

这种关系被称为焦耳定律。 SI能量单位随后被命名为Joule ，并给出了符号j 。众所周知的SI功率单位瓦特（符号：W）等于每秒一个焦耳。

电磁学

电磁体

在电磁线圈中，当电流流过它时，电线线圈的表现就像磁铁。当电流关闭时，线圈立即失去其磁性。电流会产生磁场。只要有电流，磁场就可以视为围绕电线的圆形线线的模式。

电磁感应

磁场也可以用于制造电流。当将变化的磁场应用于导体时，会诱导电动力（EMF），当有合适的路径时，该电气电源（EMF）启动电流。

无线电波

当电流以无线电频率以适当形状的导体流动时，可以产生无线电波。这些以光速行驶，并可能在远处导体中引起电流。

各种媒体的传导机制

在金属固体中，通过电子，从较低到更高的电势。在其他媒体中，任何带电的对象（例如离子）都可能构成电流。为了提供独立于电荷载体类型的电流的定义，常规电流定义为沿与正电荷流相同的方向移动。因此，在电荷载体（电子）为负的金属中，常规电流与整体电子运动相反。在电荷载体为正的导体中，常规电流与电荷载体朝着相同的方向。

在真空中，可以形成一个离子或电子束。在其他导电材料中，电流是由于同时正面和负电荷的颗粒的流动。在其他情况下，电流完全是由于正电荷流。例如，电解质中的电流是积极和负电荷离子的流动。在常见的铅酸电化学电池中，电流由一个方向流动的阳性氢离子和另一个流动的负硫酸盐组成。火花或等离子体中的电流是电子的流以及正离子和负离子。在冰和某些固体电解质中，电流完全由流动离子组成。

金属

在金属中，每个原子中的某些外电子在分子固体中或在绝缘材料中的完整带中没有与单个分子结合，但可以在金属晶格中自由移动。这些传导电子可以用作电流载体，并带有电流。金属是特别导电的，因为这些自由电子很多。由于没有外部电场，这些电子由于热能而随机移动，但平均而言，金属内的净电流为零。在室温下，这些随机运动的平均速度为每秒¹⁰米。给定金属线通过的表面，电子以相等的速率在两个方向上移动。正如George Gamow在他受欢迎的科学书籍《一，二》，第三名... Infinity （1947）中所写的那样，“金属物质与所有其他材料不同，因为它们的原子的外壳相当宽松，并且经常让人让我们经常放任。他们的一个电子免费。因此，金属的内部充满了大量的无附加电子电子，它们像一群流离失所者一样漫无目的地旅行。自由电子朝着力的方向冲，从而形成了我们所说的电流。”

当金属线连接到直流电源（例如电池）的两个端子上时，源将电场放置在导体上。进行矩触点，在该磁场的影响下，导体的自由电子被迫向正末端漂移。因此，游离电子是典型的固体导体中的电荷载体。

对于通过表面的电荷流稳定流动，可以使用以下等式计算电流I （以安培为单位）：

其中Q是在一个时间t中通过表面传输的电荷。如果Q和t分别在库莫姆斯和几秒钟中测量，则我在安培中。

更普遍地，电流可以表示为电荷流过给定表面的速率：

电解质

电解质中的电流是电荷颗粒（离子）的流动。例如，如果将电场放置在Na ⁺和Cl-的溶液上^， （并且条件恰好），钠离子向负电极（阴极）移动，而氯离子向正电极（阳极）移动。反应发生在两个电极表面，中和每个离子。

水冰和某些称为质子导体的固体电解质包含可移动的阳性氢离子（“质子”）。在这些材料中，电流由移动质子组成，而不是金属中的移动电子。

在某些电解质混合物中，鲜艳的离子是移动的电荷。颜色的缓慢进度使电流可见。

气体和等离子体

在崩溃场以下的空气和其他普通气体中，电气传导的主要来源是通过放射性气体，紫外线或宇宙射线产生的相对较少的移动离子。由于电导率较低，因此气体是介电或绝缘体。但是，一旦应用电场接近崩溃值，电场就会充分加速自由电子，以在称为雪崩故障的过程中碰撞和电离，中性气原子或分子来创建额外的自由电子。分解过程形成了一个血浆，该等离子体包含足够的移动电子和正离子，使其成为电导体。在此过程中，它会形成一条发光的导电路径，例如火花，弧或闪电。

血浆是从其分子或原子中剥离或“离子化”的某些电子中的某些电子的状态。如上所述，可以通过高温或使用高电动或交替的磁场来形成等离子体。由于其质量较低，因此等离子体中的电子比较重的正离子更快地加速了电场，因此携带大部分电流。游离离子重组以产生新的化合物（例如，将大气中的氧气分解为单氧[O ₂ →2O]，然后重组产生臭氧[O ₃ ]）。

真空

由于“完美的真空”不包含带电的颗粒，因此通常表现为完美的绝缘体。但是，金属电极表面可以通过通过田间电子发射或热离子发射来注入自由电子或离子，从而导致真空的一个区域成为导电性。当热能超过金属的工作函数时，就会发生热发射，而当金属表面的电场高足以引起隧道时，就会发生电场电子发射，这导致金属从金属中射出了自由电子。外部加热的电极通常用于产生电子云，如丝或间接加热的真空管阴极。当形成小白炽区（称为阴极斑点或阳极斑）时，冷电极还可以通过热发射自发产生电子云。这些是由局部高电流产生的电极表面的白炽区。这些区域可以通过现场电子发射引发，但一旦形成真空弧，就会由局部热发射持续。这些小电子发射区域可以在受高电场的金属表面上迅速形成，甚至爆炸性地形成。真空管和Sprytron是基于真空电导率的电子开关和放大设备。

超导

超导性是一种完全零电阻的现象和在特征临界温度以下冷却时，在某些材料中发生的磁场的驱动。这是由Heike Kamerlingh Onnes于1911年4月8日在莱顿发现的。像铁磁和原子光谱线一样，超导性是一种量子机械现象。它的特征在于meissner效应，当它转变为超导状态时，磁场线从超导体的内部完全弹出。 Meissner效应的发生表明，超导性不能简单地理解为古典物理学中完美电导率的理想化。

半导体

在半导体中，有时将电流视为正面“孔”的流动（移动正电荷载体，这是半导体晶体缺少价电子的地方）。在P型半导体中就是这种情况。半导体的电导率中间是导体和绝缘子的电导率。这意味着电导率大约在^10-2至10 ⁴厘米的范围内（S·CM ^-1 ）。

在经典的晶体半导体中，电子只能在某些频段内具有能量（即能量水平）。从能量上讲，这些频段位于基态的能量之间，电子与材料的原子核紧密结合的状态和自由电子能量，后者描述了电子完全逃脱的能量材料。每个能带对应于电子的许多离散量子状态，并且大多数具有低能量（靠近核）的状态被占据，直到一个称为Valence带的特定带。半导体和绝缘子与金属有区别，因为任何给定金属中的价带几乎在通常的工作条件下几乎填充了电子，而在传导带中很少（半导体）或几乎没有（绝缘器）可用，在传导带中可用价带。

从价带到传导带的半导体中令人兴奋的电子的便利性取决于频段之间的带隙。该能带隙的大小是半导体和绝缘体之间的任意分界线（大约4 eV ）。

凭借共价键，电子通过跳到相邻键来移动。 Pauli排除原则要求将电子提升到该键的较高的反键状态。对于DELAICALIGAT状态，例如，在一个维度（即在纳米线中），对于每个能量，都有一个态度，电子沿一个方向流动，另一个状态在另一个方向上流动，电子在另一个方向上流动。为了使净电流流动，必须占据一个方向的状态多于另一个方向。为此，需要能量，因为在半导体中，下一个较高的状态位于带隙上方。通常，这被称为：完整的频段不促进电导率。但是，随着半导体的温度升高到绝对零以上，半导体中有更多的能量用于晶格振动以及令人兴奋的电子进入传导带。传统带中的电流携带电子被称为游离电子，尽管在上下文中很清楚，通常将它们简单地称为电子。

当前密度和欧姆定律

电流密度是电荷通过所选单位区域的速率。它被定义为矢量，其大小是每单位横截面区域的当前。如在参考方向上所讨论的，方向是任意的。通常，如果移动电荷为正，则电流密度具有与电荷速度相同的符号。对于负电荷，电流密度的符号与电荷的速度相反。在SI单元中，电流密度（符号：J）以每平方米安培的SI碱基单位表示。

在金属等线性材料中，在低频下，导体表面的电流密度均匀。在这种情况下，欧姆定律指出，电流与该金属（理想）电阻器（或其他欧姆设备）之间的两个端（跨）之间的电位差成正比：

电流在哪里，以安培的速度测量；是电势差，在伏特中测量；是在欧姆中测量的电阻。对于交流电流，尤其是在较高频率下，皮肤效应会导致电流在整个导体横截面上不均匀地扩散，并在表面附近较高密度，从而增加了明显的电阻。

漂移速度

导体内的移动带电颗粒像气体的颗粒一样，不断地沿随机方向移动。 （更准确地说，是费米气体。）要创建电荷净流，颗粒也必须与平均漂移速率一起移动。电子是大多数金属中的电荷载体，它们遵循不稳定的路径，从原子弹跳到原子，但通常沿电场的相反方向漂移。它们漂移的速度可以从方程式计算出来：

在哪里

• 是电流吗
• 是单位体积的电荷颗粒数（或电荷载体密度）
• 是导体的横截面区域
• 是漂移速度，
• 是每个粒子上的电荷。

通常，固体中的电荷缓慢流动。例如，在横截面0.5毫米²的铜线中，载有5 a的电流，电子的漂移速度在每秒毫米的阶处。举一个不同的例子，在阴极射线管内的近空白中，电子以接近光速的三分之一以光速的十分之一。

任何加速的电荷，因此发生任何变化的电流，都会产生电磁波，该电磁波以非常高速传播的导体表面以外的高速传播。这种速度通常是光速的很大一部分，可以从麦克斯韦的方程式推导出来，因此比电子的漂移速度快很多倍。例如，在交流电源线中，电磁能的波通过电线之间的空间传播，即使电线中的电子仅在很小的距离内来回移动，即使电线中的电子仅移动。

电磁波与自由空间中光速的速度之比称为速度因子，取决于导体的电磁特性以及其周围的绝缘材料以及其形状和大小。

这三个速度的幅度（不是本性）可以通过与气体相关的三个相似速度进行类比来说明。 （另请参见液压类比。）

• 电荷载体的低漂移速度类似于空气运动。换句话说，风。
• 电磁波的高速大致类似于气体中的声速（声波在空气中移动的速度比对流等大型运动快得多）
• 电荷的随机运动类似于热量 - 随机振动气体颗粒的热速度。

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