电流

电流的定义

在铜等导体内部，存在着可以自由高速运动但不会逃逸出金属的电子。这些可以自由移动的电子被称为自由电子。尽管电子可以向各个方向自由移动，但没有任何方向的净电子流。这种情况发生在铜线两端之间没有电势差时。

当导线连接到电源时，铜线的两端会产生电位差，从而在铜线内部产生电场。 电场 导致自由电子经历 电力 F = q E = e E，其中 F = 电场力，e = 电子电荷，E = 电场强度电力使所有自由运动的电子都受到与电力方向相同的加速度。

这些自由电子聚集在一起，位于铜线中静止的原子之间，导致所有电子都与这些原子发生碰撞。这些碰撞使自由电子改变运动方向。所有这些电子始终受到电场力的作用，并沿电场力的方向加速运动。运动片刻后，自由电子再次与铜线中的原子碰撞。然而，自由电子始终受到电场力的作用，从而再次加速运动。

因此，除了沿各个方向随机运动外，所有自由电子还会沿着电场力的方向缓慢地集体运动，而电场的方向则与电场的方向相反。电场的方向是从高电势指向低电势，而电子则从低电势指向高电势。每个自由电子的随机运动速度非常快，而自由电子沿着电场力方向的集体运动速度则非常慢。这种自由电子沿着电场力方向的集体运动也称为漂移速度。

电流被定义为电场的流动。 电荷 在一定时间间隔内，电流通过导体的横截面。按照惯例，电流方向与正电荷的运动方向相同。这一约定是在人们认识到导体中实际运动的是带负电荷的自由电子之前达成的。导体中电子的运动方向与电流方向相反。因此，当讨论导体中的电流时，实际上指的是正电荷的流动，也称为传统电流，因为它源于上述约定。

电流公式

从数学角度来说，电流可以用以下公式表示：
I = ΔQ / Δt
公式说明：I = 电流，ΔQ = 电荷量，Δt = 时间间隔。

电流单位

电荷的单位是库仑，时间的单位是秒，因此电流的单位是库仑/秒。库仑/秒也称为 安培安培（A）是法国物理学家安德烈·玛丽·安培（André Marie Ampere，1775-1836）的名字。1 安培 = 1 库仑/秒（1 A = 1 C/s）。换句话说，1 安培的电流等于 1 库仑的电荷在 1 秒内通过导线的横截面积。除了安培之外，电流还可以用毫安（mA）表示（1 mA = 10⁻⁶ C/s）。^-3 A），微安（1 μA = 10^-6 A），纳安培（1 nA = 10^-9 A) 或皮安 (1 pA = 10^-12 一个）。

例题1：

一根导线中流过 2 安培的电流，持续 8 秒。求通过导线上某一点的电荷量以及该电荷中的电子数！
讨论
已知：
电流 (I) = 1 安培
时间间隔 (t) = 2 秒
问： 电荷（Q）和电子数（e）
回答 ：
电流公式：
I = Q/t
公式说明：I = 电流，Q = 电荷量，t = 时间间隔
电荷：
Q = I t = (2 安培)(8 秒) = 16 库仑。

一个电子的电荷量为 1,6 × 10⁻³⁰^-19 库仑，因此 16 库仑的电荷有 16 C / 1,6 x 10 个电子^-19 库仑 = 10 x 10¹⁹ 电子。

电流、漂移速度和电流密度

考虑一个正电荷在横截面积为 A 的导体中沿电场 E 的方向以漂移速度 v 向右运动。该正电荷在时间间隔 t 内移动了距离 s = vt。

如果单位体积内的带电粒子数（带电粒子密度）为 n，导体的体积为 A_s = A_vt，则导体体积内的带电粒子数为 nA_vt。如果每个带电粒子的电荷量为 q，则在时间间隔 t 内通过导体末端的电荷量为 Q = nqA_vt。因此，流过导体末端的电流为 I = Q/t = nqA_v。而电流密度或单位横截面积 A 的电流为 J = I/A = nq_v。由此可知，导体中的电流是带电粒子密度 (n)、每个粒子的电荷量 (q)、导体的横截面积 (A) 和带电粒子的漂移速度 (v) 的乘积。

研究以下例题，以了解每个带电粒子的速度与所有带电粒子的漂移速度之间的区别。

例题2：

横截面积为 3 × 10 的铜导线中流过 10 安培的恒定电流。^-6 m²自由电子密度为 8,4 x 10²⁸ 电子/米³确定自由电子的漂移速度！
讨论
已知：
电流 (I) = 10 安培
导线横截面积 (A) = 3 × 10^-6 m²
自由电子密度 (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
电子电荷 (q) = 1,6 × 10^-19 C
问： 自由电子漂移速度（v）
回答 ：
电子速度可使用先前推导出的公式计算：

说明：I = 电流，n = 带电粒子密度（即自由电子密度），q = 单个电子的电荷量，A = 导体的横截面积，v = 电子漂移速度

电子漂移速度为 0,248 x 10^-3 米/秒 = 0,248 毫米/秒。

导线中的自由电子以每秒0,248毫米的速度一起运动。换句话说，每秒钟所有自由电子移动0,248毫米。这是一个非常慢的速度。如果自由电子的运动如此缓慢，为什么打开开关后电灯会立即亮起呢？

为了理解这一点，可以把导体中电子的流动想象成水在软管中的流动。如果软管里装满了水，一端连接到水龙头，水就会立即从另一端流出来。类似地，铜线和灯泡的导线中也存在自由电子。当开关打开时，会产生一个速度接近光速（光速 = 3 × 10⁸ m/s）的电场。⁸ 米/秒），这使得自由电子在那一刻开始聚集运动。灯泡导线中原本就有自由电子，所以灯泡在那一刻亮了。