很簡單,導體中的帶電粒子的定向運動就是電流。
只有當物質內具有能自由移動的帶電粒子,它才可以傳輸電流——即導電。這些參與導電的帶電粒子稱之為載流子。例如對金屬來說,只有原子的外層電子才能充當載流子。
電流定義中的“定向運動”往往被錯誤的理解,很多人以為是指方向確定的運動,當然不是!交流電路中的電子的運動方向不是變來變去嘛?
其實,定向運動是相對于“無規運動”來說的!
電子既然是微觀粒子,它必定無時無刻不在做熱運動,熱運動是一種無規運動,如下圖所示。
這種運動其實很快。例如,常溫下金屬中,電子熱運動的速度的數量級達每秒數百公里!
仔細看這種無規運動,你會發現,任意時刻,各個粒子的運動方向是隨機的。如果將這些粒子的速度矢量加起來,結果幾乎為零。
現在給導體加上一個電場,電子在無規運動基礎上,疊加了一種定向運動。假設某段時間,電場向左,則電子的運動看起來是下面這樣的,紅色小球代表晶格上的金屬原子,快速運動的小點代表自由電子。
是不是看起來很快?那是因為電子運動確實很快!但實際上,這里面占比重很大的無規運動對電流并沒有貢獻,當把無規運動剔除之后,剩下的就像下面這個慢悠悠的樣子。
的確,比起熱運動速度來說,電子的定向運動的速度慢多了。電子這種”磨洋工”般的運動被稱之為drift,即“漂移”。有時候,電子也會往相反方向跑,那是因為受到原子的碰撞。但總體上,電子是往一個方向運動的。
如果電場改變方向,則電子漂移的方向也將改變。
所以,這種定向運動是指,某個時刻全體參與導電的電子的速度之和不為零,而是總體朝某個方向。這個方向可隨時改變,那就是交流電的情形。
所以,與其說電流是電荷的“定向運動”,還不如說電流是電荷的“集體運動”。
導體中的電流的大小用電流強度表示。電流強度定義為:單位時間內通過導體橫截面的電量,即
我們學過一些包含“強度”二字的物理量,例如電場強度、磁感應強度等。它們一般都表示單位時間、單位面積(或單位體積、單位立體角)上的分攤。但電流強度中的“強度”二字并未體現電流對面積的分攤。
實際上,電流對面積的分攤的事情由另一個物理量負責,它就是電流密度。
既然電流的本質是電荷的定向運動,那么電流強度與漂移速度之間必定存在某種關系!
為了得到這個關系,先要明確一個概念——載流子濃度,即:單位體積內擁有的載流子的個數,用 表示。
設有導體橫截面為 ,載流子的濃度為 ,漂移速度為 ,所帶電荷為 。
則位于面 的左側長為 的導體內的電荷為 ,這些電荷將在 的時間內穿過該面,故
這是電流強度的微觀表達式。
電流密度是電流對面積的分攤,故電流密度的大小為 ,但它被定義為矢量,方向即為帶正電的載流子的漂移速度矢量的方向,故 據此可得到金屬中電子的漂移速度,下面舉個例子。
考慮銅導線,假設每個銅原子貢獻一個電子作為載流子?,F有1mol的銅,它的體積為 ,摩爾質量為 ,密度為 ,則銅導線的載流子的濃度為
其中 為阿佛加德羅常數。查得銅的密度,代入得 的值大約為 個/立方米。
設銅導線的半徑為 =0.8mm,流過的電流 為15A, =1.6 C,計算得電子的漂移速度為
可見,電子的漂移速度的確非常小。
對于研究電路的人來說,以上,就是電流的完整定義。