# 電流

電流引起嘅磁場
**電流**（英文：electric current）係電荷嘅流。電荷可以係來自來電子或者離子。電流通常寫做I。

電流強度嘅萬國單位叫安或者安培（ampere），符號A。度電流要用電流計（安培計）。

喺國際單位制（SI），電流嘅量度單位係安培（有時又叫做「安」，符號係 A），相等於每秒庫侖。安培係一個國際單位制基本單位，而電流喺國際單位制（ISQ）入面係一個基本量。 電流又叫做 **安培數**，係用一個叫做「安培計」嘅儀器嚟量度。

電流會產生磁場，磁場會喺電動機、發電機、電感同埋變壓器入面用到。喺普通導體入面，電流會引起焦耳熱，焦耳熱會喺白熾燈泡入面產生光。隨時間變化嘅電流會發射電磁波，電訊就係用電磁波嚟廣播資訊。

## 符號

電流嘅慣用符號係  WIKINIUM\_MATH\_PH\_0 ，係源自法文詞組 intensité du courant（電流強度）。 電流強度通常就咁叫做「電流」。  WIKINIUM\_MATH\_PH\_1  符號係由 安德烈-瑪麗·安培 用嘅，電流單位就係以佢個名嚟命名，喺佢制定安培力定律（1820 年）嗰陣用嘅。 呢個符號由法國傳到英國，變成咗標準，雖然至少有一份期刊直到 1896 年都仲未將  WIKINIUM\_MATH\_PH\_2  改用做  WIKINIUM\_MATH\_PH\_3 。

## 慣例

電子，即係電路入面嘅電荷載子，佢哋嘅流動方向同傳統電流嘅方向相反。
符號，代表電路圖入面嘅電池
電流嘅傳統方向，又叫做「傳統電流」 ，係隨意定義做 *正* 電荷流動嘅方向。喺導電材料入面，構成電流嘅移動帶電粒子叫做電荷載子。喺金屬入面，金屬係大多數電路入面嘅電線同埋其他導體嘅組成部分，原子嘅帶正電原子核係固定喺一個位置嘅，而帶負電嘅電子就係電荷載子，可以喺金屬入面自由移動。喺其他材料入面，特別係半導體，電荷載子可以係正電荷「或者」負電荷，取決於用邊種摻雜劑。正電荷同埋負電荷載子甚至乎可以同時存在，就好似電解液喺電化學電池入面嘅情況一樣。

正電荷嘅流動產生嘅電流，同等量負電荷喺相反方向流動嘅電流效果一樣。由於電流可以係正電荷或者負電荷嘅流動，又或者兩者都有，所以需要一個唔理電荷載子類型嘅電流方向慣例。帶負電嘅載子，例如電子（金屬線同埋好多其他電子元件入面嘅電荷載子），因此佢哋嘅流動方向同電路入面傳統電流嘅方向相反。

### 參考方向

喺電線或者電路元件入面嘅電流可以喺兩個方向嘅任何一個方向流動。 當定義一個變數 WIKINIUM\_MATH\_PH\_4 嚟表示電流嗰陣，必須指明代表正電流嘅方向，通常係喺電路 示意圖上面用箭頭嚟表示。 呢個叫做電流 WIKINIUM\_MATH\_PH\_6 嘅「參考方向」。 當分析電路嗰陣，通過特定電路元件嘅實際電流方向通常喺分析完成之前都係未知嘅。 因此，電流嘅參考方向通常係隨意分配嘅。 當電路解咗出嚟之後，電流嘅負值就表示通過嗰個電路元件嘅實際電流方向同揀定嘅參考方向相反。

## 歐姆定律

歐姆定律指出，通過兩個點之間導體嘅電流同呢兩個點之間嘅電勢差成正比。 引入比例常數，即電阻， 就得到咗描述呢個關係嘅常用數學方程式：
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_8

其中 *I* 係通過導體嘅電流，單位係安培，*V* 係「跨越」導體量度嘅電勢差，單位係伏特，而 *R* 係導體嘅電阻，單位係歐姆。 更具體嚟講，歐姆定律指出，呢個關係入面嘅 *R* 係常數，唔受電流影響。

## 交流電同直流電

喺交流電（AC）系統入面，電荷嘅移動會週期性噉反轉方向。交流電係電力最常用嘅形式，供應畀商業同埋住宅。交流電電路嘅常用波形係正弦波，雖然某啲應用會用其他波形，例如三角波或者方波。 電線上面嘅音頻同射頻信號都係交流電嘅例子。 呢啲應用入面嘅一個重要目標係恢復編碼（或者「調製」）到交流電信號上面嘅資訊。

相反，直流電（DC）係指電荷移動只係得一個方向嘅系統（有時叫做單向流動）。 直流電係由電池、熱電偶、太陽能電池同埋換向器式 發電機 產生嘅。 交流電都可以通過使用整流器嚟轉換成直流電。 直流電可以喺導體入面流動，例如電線，但係都可以通過半導體、絕緣體，甚至乎通過真空流動，就好似電子或離子束噉。 「舊稱」直流電叫做「加凡尼電流」。

## 發生情況

自然界可以觀察到嘅電流例子包括閃電、靜電、同埋太陽風，太陽風係極光嘅來源。

人造嘅電流例子包括金屬線入面嘅傳導電子流動，例如架空電線，架空電線將電能長途傳輸，仲有電器同電子設備入面嘅細電線。 渦電流係喺暴露喺變化磁場入面嘅導體入面產生嘅電流。 同樣，電流會喺暴露喺電磁波入面嘅導體表面產生，尤其係喺表面。 當震盪電流喺無線電天線入面以正確嘅電壓流動嗰陣，就會產生無線電波。

喺電子學入面，其他形式嘅電流包括電子通過電阻或者通過真空管入面嘅真空流動，離子喺電池入面嘅流動，以及電洞喺金屬同埋半導體入面嘅流動。

生物電流嘅例子係離子喺神經元同埋神經入面嘅流動，負責思考同埋感官知覺。

## 量度

電流可以用安培計嚟量度。

電流可以用電流計直接量度，但係呢種方法需要斷開電路，有時會唔方便。

電流亦都可以唔使斷開電路嚟量度，方法係檢測同電流相關嘅磁場。
喺電路層面，設備會用各種技術嚟量度電流：

分流電阻

霍爾效應電流感測器換能器

變壓器（但係直流電就量度唔到）

磁阻場感測器

羅氏線圈

電流鉗

## 電阻加熱

焦耳熱，又叫做「歐姆加熱」同埋「電阻加熱」，係功率耗散嘅過程，通過呢個過程，電流通過導體會增加導體嘅內能， 將熱力學功轉換成熱。 呢個現象喺 1841 年由 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 首次研究。 焦耳將一段長度嘅電線浸喺固定質量嘅水入面，量度喺 30 分鐘 週期內，已知電流通過電線引起嘅溫度升高。 通過改變電流同埋電線嘅長度，佢推斷出產生嘅熱量同電流嘅平方乘以電線嘅電阻成正比。

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_10

呢個關係叫做焦耳定律。 能量嘅國際單位之後就命名做焦耳，符號係 *J*。 常用嘅功率國際單位瓦特（符號：W），相等於每秒一焦耳。

## 電磁學

### 電磁鐵

線圈入面嘅電流會產生磁場。
喺電磁鐵入面，當電流通過線圈嗰陣，線圈嘅行為就好似磁鐵一樣。 當電流關閉嗰陣，線圈會即刻失去磁性。
電流會產生磁場。 磁場可以想像成圍繞電線嘅環形場線圖案，只要有電流就會持續存在。

### 電磁感應

交流電通過線圈，產生變化嘅磁場。 呢個磁場通過電磁感應令到電流喺金屬線環入面流動。
磁場亦都可以用嚟產生電流。 當變化嘅磁場施加到導體嗰陣，就會感應出電動勢（EMF）， 如果有合適嘅路徑，就會開始產生電流。

### 無線電波

當電流喺形狀合適嘅導體入面以射頻流動嗰陣，就可以產生無線電波。 呢啲無線電波會以光速傳播，並且可以喺遠處嘅導體入面產生電流。

## 各種介質入面嘅傳導機制

喺金屬固體入面，電荷通過電子流動，由較低嘅電勢流向較高嘅電勢。 喺其他介質入面，任何帶電物體（例如離子）嘅流動都可能構成電流。 爲咗提供電流嘅定義，唔理電荷載子嘅類型，「傳統電流」定義做同正電荷流動方向相同嘅方向。 因此，喺電荷載子（電子）係負電荷嘅金屬入面，傳統電流嘅方向同整體電子運動方向相反。 喺電荷載子係正電荷嘅導體入面，傳統電流嘅方向同電荷載子嘅方向相同。

喺真空入面，可以形成離子束或者電子束。 喺其他導電材料入面，電流係由於正電荷同埋負電荷粒子同時流動而產生嘅。 喺仲有啲材料入面，電流完全係由於正電荷流動而產生嘅。 例如，電解液入面嘅電流係帶正電同埋帶負電離子嘅流動。 喺常見嘅鉛酸電化學電池入面，電流係由正水合氫離子喺一個方向流動，同埋負硫酸根離子喺另一個方向流動組成嘅。 電火花或者等離子體入面嘅電流係電子以及正離子同負離子嘅流動。 喺冰同埋某啲固體電解質入面，電流完全係由流動嘅離子組成嘅。

### 金屬

喺金屬入面，每個原子入面嘅一啲外層電子唔似分子固體入面噉束縛喺個別分子上面，又唔似絕緣材料入面噉束縛喺滿帶上面，而係可以喺金屬晶格入面自由移動。 呢啲傳導電子可以充當電荷載子，攜帶電流。 金屬特別導電，因為有好多呢啲自由電子。 喺冇施加外部電場嘅情況下，呢啲電子由於熱能而隨機移動，但係平均嚟講，金屬入面嘅淨電流係零。 喺室溫下，呢啲隨機運動嘅平均速度係每秒 106 米。 如果有一個金屬線通過嘅表面，電子會以相等嘅速率喺兩個方向跨越表面移動。 正如 喬治·伽莫夫 喺佢嘅 科普 書籍《One, Two, Three...Infinity》（1947 年）入面寫嘅：「金屬物質同所有其他材料嘅區別在於佢哋原子嘅外殼結合得相當鬆散，而且通常會放走佢哋其中一個電子。 因此，金屬內部充滿咗大量未附著嘅電子，佢哋漫無目的地四處移動，就好似一群流離失所嘅人噉。 當一條金屬線受到施加喺佢兩端嘅電力嗰陣，呢啲自由電子會衝向電力嘅方向，從而形成我哋所講嘅電流。」

當一條金屬線連接到直流電電壓源（例如電池）嘅兩個端子嗰陣，電源會喺導體上面施加電場。 喺接觸嗰一刻，導體嘅自由電子喺呢個電場嘅影響下，會被迫漂移向正極。 因此，自由電子係典型固體導體入面嘅電荷載子。

對於通過表面嘅穩定電荷流動，電流 *I*（以安培為單位）可以用以下方程式計算：
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_12
其中 *Q* 係喺時間 *t* 內通過表面傳輸嘅電荷。 如果 *Q* 同 *t* 分別以庫侖同埋秒為單位量度，咁 *I* 嘅單位就係安培。

更一般嚟講，電流可以表示為電荷通過給定表面嘅速率，如下所示：
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_14

### 電解液

質子導體喺靜態電場入面
電解液入面嘅電流係帶電粒子（離子）嘅流動。 例如，如果喺 Na+ 同埋 Cl− 溶液上面施加電場（而且條件啱），鈉離子就會向負極（陰極）移動，而氯離子就會向正極（陽極）移動。 反應會喺兩個電極表面發生，中和每個離子。

水冰同埋某啲叫做「質子導體」嘅固體電解質包含帶正電嘅氫離子（「質子」），佢哋係可以移動嘅。 喺呢啲材料入面，電流係由移動嘅質子組成，而唔係金屬入面移動嘅電子。

喺某啲電解液混合物入面，顏色鮮豔嘅離子係移動嘅電荷。 顏色嘅緩慢進展令到電流變得可見。

### 氣體同等離子體

喺空氣同埋其他普通氣體低於擊穿場嘅情況下，電傳導嘅主要來源係通過相對較少嘅移動離子，呢啲離子係由放射性氣體、紫外線或者宇宙射線產生嘅。 由於電導率低，氣體係介電質或者絕緣體。 然而，一旦施加嘅電場接近擊穿值，自由電子就會被電場充分加速，通過碰撞同埋電離中性氣體原子或者分子嚟產生額外嘅自由電子，呢個過程叫做雪崩擊穿。 擊穿過程會形成等離子體，等離子體包含足夠多嘅移動電子同埋正離子，令到佢變成電導體。 喺呢個過程入面，佢會形成發光嘅導電路徑，例如火花、電弧或者閃電。

等離子體係物質嘅一種狀態，喺呢種狀態下，氣體入面嘅一啲電子會從佢哋嘅分子或者原子入面剝離或者「電離」。 等離子體可以通過高溫度形成，或者通過施加高電場或者交變磁場形成，正如上面提到嘅噉。 由於佢哋嘅質量較低，等離子體入面嘅電子對電場嘅反應比重啲嘅正離子更快加速，因此攜帶咗大部分電流。 自由離子會重新結合形成新嘅化合物（例如，將大氣中嘅氧氣分解成單個氧 [O2 → 2O]，然後重新結合形成臭氧 [O3]）。

### 真空

由於「完美真空」唔包含帶電粒子，所以佢通常表現為完美絕緣體。 然而，金屬電極表面可以通過場致電子發射或者熱電子發射注入自由電子或者離子，令到真空嘅某個區域變成導電嘅。 當熱能超過金屬嘅功函數嗰陣，就會發生熱電子發射，而當金屬表面嘅電場夠高，足以引起隧穿嗰陣，就會發生場致電子發射，從而導致自由電子從金屬彈射到真空入面。 外部加熱嘅電極通常會用嚟產生電子雲，就好似燈絲或者間接加熱陰極 真空管噉。 冷電極亦都可以通過熱電子發射自發產生電子雲，當形成細小嘅白熾區域（叫做「陰極斑點」或者「陽極斑點」）嗰陣。 呢啲係電極表面嘅白熾區域，係由局部高電流產生嘅。 呢啲區域可能係由場致電子發射引發嘅，但係一旦形成真空電弧，就會通過局部熱電子發射嚟維持。 呢啲細小嘅電子發射區域可以喺受到高電場嘅金屬表面上面快速形成，甚至乎係爆炸性噉形成。 真空管同埋 速脈衝管 係一啲基於真空導電性嘅電子開關同埋放大設備。

### 超導體

超導現象係指喺某啲材料冷卻到低於特性臨界溫度嘅情況下，出現嘅完全零電阻同埋磁場排斥現象。 呢個現象喺 1911 年 4 月 8 號由 海克·卡末林·昂內斯 喺 萊頓 發現。 好似鐵磁性同埋原子光譜線一樣，超導現象係一種量子力學現象。 佢嘅特徵係邁斯納效應，即當超導體過渡到超導狀態嗰陣，會將磁場線完全從超導體內部排出。 邁斯納效應嘅出現表明，超導現象唔可以簡單噉理解為完美電導率喺古典物理學入面嘅理想化。

### 半導體

喺半導體入面，有時將電流諗成係由於正「電洞」（移動嘅正電荷載子，即係半導體晶體缺少價電子嘅位置）嘅流動而產生嘅，咁樣會好有用。 喺 p 型半導體入面就係噉嘅情況。 半導體嘅電導率喺導體同埋絕緣體之間，處於中間大小。 呢個意思係電導率大致喺每厘米 10−2 到 104 西門子（S⋅cm−1）嘅範圍內。

喺經典嘅晶體半導體入面，電子嘅能量只可以喺某啲能帶（即係能量級別嘅範圍）入面。 從能量上嚟講，呢啲能帶位於基態能量（電子緊密束縛喺材料原子核上面嘅狀態）同埋自由電子能量之間，後者描述嘅係電子完全從材料逃逸所需嘅能量。 每個能帶都對應於電子嘅好多離散量子態，而且大多數低能量（更接近原子核）嘅狀態都係被佔據嘅，一直到一個叫做「價帶」嘅特定能帶。 半導體同埋絕緣體同金屬嘅區別在於，任何給定金屬入面嘅價帶喺正常操作條件下都幾乎填滿咗電子，而導帶（緊接喺價帶上面嘅能帶）入面就得好少（半導體）或者幾乎冇（絕緣體）電子。

將半導體入面嘅電子從價帶激發到導帶嘅難易程度取決於能帶之間嘅帶隙。 呢個能帶隙嘅大小充當半導體同埋絕緣體之間嘅任意分界線（大約 4 eV）。

喺共價鍵入面，電子通過跳躍到相鄰嘅鍵嚟移動。 包立不相容原理要求將電子提升到嗰個鍵嘅較高反鍵狀態。 對於離域態，例如喺一維入面 – 即係喺納米線入面，對於每個能量，都有一個狀態，電子喺一個方向流動，仲有另一個狀態，電子喺另一個方向流動。 爲咗令淨電流流動，一個方向嘅狀態必須比另一個方向嘅狀態佔據更多。 爲咗令呢個情況發生，需要能量，因為喺半導體入面，下一個更高嘅狀態位於帶隙之上。 通常，呢個會被描述為：滿帶唔會對電導率產生貢獻。 然而，當半導體嘅溫度升到絕對零度以上嗰陣，半導體入面就會有更多能量嚟花喺晶格振動同埋將電子激發到導帶上面。 導帶入面嘅載流電子叫做「自由電子」，雖然如果語境清楚，佢哋通常就咁叫做「電子」。

## 電流密度同歐姆定律

電流密度係電荷通過選定單位面積嘅速率。 佢定義為向量，佢嘅大小係每單位橫截面積嘅電流。 正如參考方向入面討論嘅噉，方向係任意嘅。 按照慣例，如果移動嘅電荷係正電荷，咁電流密度嘅符號就同電荷嘅速度符號相同。 對於負電荷，電流密度嘅符號同電荷嘅速度符號相反。 喺SI 單位入面，電流密度（符號：j）以安培每平方米嘅 SI 基本單位表示。

喺線性材料（例如金屬）入面，同埋喺低頻率下，通過導體表面嘅電流密度係均勻嘅。 喺呢啲情況下，歐姆定律指出，電流同金屬（理想）電阻器（或者其他歐姆器件）兩端（跨越）之間嘅電勢差成正比：
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_16

其中 WIKINIUM\_MATH\_PH\_18 係電流，以安培為單位量度； WIKINIUM\_MATH\_PH\_20 係電勢差，以伏特為單位量度； 而 WIKINIUM\_MATH\_PH\_22 係電阻，以歐姆為單位量度。 對於交流電，尤其係喺較高頻率下，集膚效應會導致電流唔均勻噉分佈喺導體橫截面上面，喺表面附近嘅密度較高，從而增加咗表觀電阻。

## 漂移速度

導體入面嘅移動帶電粒子會好似氣體嘅粒子噉，不斷噉喺隨機方向移動。（更準確噉講，係費米氣體。） 爲咗產生淨電荷流動，粒子仲必須以平均漂移速率一齊移動。 電子係大多數金屬入面嘅電荷載子，佢哋遵循不規則嘅路徑，從一個原子反彈到另一個原子，但係總體上係喺電場嘅相反方向漂移。 佢哋漂移嘅速度可以通過以下方程式計算：
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_24
其中

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_26 係電流

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_28 係每單位體積嘅帶電粒子數（或者電荷載子密度）

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_30 係導體嘅橫截面積

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_32 係漂移速度，以及

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_34 係每個粒子嘅電荷。
通常，固體入面嘅電荷流動速度好慢。 例如，喺橫截面為 0.5 mm2 嘅銅線入面，攜帶 5 A 嘅電流，電子嘅漂移速度大約係每秒一毫米嘅數量級。 舉另一個例子，喺陰極射線管內部嘅近真空入面，電子以大約光速嘅十分之一嘅速度沿近乎直線嘅路徑行進。

任何加速嘅電荷，因此任何變化嘅電流，都會產生電磁波，電磁波喺導體表面外部以非常高嘅速度傳播。 呢個速度通常係光速嘅一大部分，正如可以從麥克斯韋方程組推導出嘅噉，因此比電子嘅漂移速度快好多倍。 例如，喺交流電電力線入面，電磁能波通過電線之間嘅空間傳播，從電源移動到遠處嘅負載，即使電線入面嘅電子只係喺好細嘅距離內來回移動。

電磁波速度同自由空間光速嘅比率叫做速度因子，佢取決於導體嘅電磁特性同埋包圍佢嘅絕緣材料，仲有佢哋嘅形狀同埋尺寸。

呢三個速度嘅大小（唔係性質）可以用同氣體相關嘅三個相似速度嚟類比。（參見液壓類比。）

電荷載子嘅低漂移速度類似於空氣運動； 換句話說，風。

電磁波嘅高速度大致類似於氣體入面嘅聲速（聲波通過空氣嘅速度比 對流 等大規模運動快好多）

電荷嘅隨機運動類似於熱 – 隨機振動嘅氣體粒子嘅熱速度。

## 睇埋

電流密度

位移電流（電）同埋 Magnetic current § 磁位移電流

觸電

電氣測量

電氣工程史

極性符號

國際計量系統

國際單位制電磁學單位

單相電

靜電

三相電

兩相電

## 注釋

## 參考文獻