没有人比我更懂电流,今天带你重新认识电流

电流是什么?首先回想下 , 我们学过的电流的定义是什么?
很简单 , 导体中的带电粒子的定向运动就是电流 。
只有当物质内具有能自由移动的带电粒子 , 它才可以传输电流——即导电 。这些参与导电的带电粒子称之为载流子 。例如对金属来说 , 只有原子的外层电子才能充当载流子 。
电流定义中的“定向运动”往往被错误的理解 , 很多人以为是指方向确定的运动 , 当然不是!交流电路中的电子的运动方向不是变来变去嘛?
其实 , 定向运动是相对于“无规运动”来说的!
电子既然是微观粒子 , 它必定无时无刻不在做热运动 , 热运动是一种无规运动 , 如下图所示 。
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这种运动其实很快 。例如 , 常温下金属中 , 电子热运动的速度的数量级达每秒数百公里!
仔细看这种无规运动 , 你会发现 , 任意时刻 , 各个粒子的运动方向是随机的 。如果将这些粒子的速度矢量加起来 , 结果几乎为零 。
现在给导体加上一个电场 , 电子在无规运动基础上 , 叠加了一种定向运动 。假设某段时间 , 电场向左 , 则电子的运动看起来是下面这样的 , 红色小球代表晶格上的金属原子 , 快速运动的小点代表自由电子 。
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是不是看起来很快?那是因为电子运动确实很快!但实际上 , 这里面占比重很大的无规运动对电流并没有贡献 , 当把无规运动剔除之后 , 剩下的就像下面这个慢悠悠的样子 。
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的确 , 比起热运动速度来说 , 电子的定向运动的速度慢多了 。电子这种”磨洋工”般的运动被称之为drift , 即“漂移” 。有时候 , 电子也会往相反方向跑 , 那是因为受到原子的碰撞 。但总体上 , 电子是往一个方向运动的 。
如果电场改变方向 , 则电子漂移的方向也将改变 。
所以 , 这种定向运动是指 , 某个时刻全体参与导电的电子的速度之和不为零 , 而是总体朝某个方向 。这个方向可随时改变 , 那就是交流电的情形 。
所以 , 与其说电流是电荷的“定向运动” , 还不如说电流是电荷的“集体运动” 。
导体中的电流的大小用电流强度表示 。电流强度定义为:单位时间内通过导体横截面的电量 , 即
我们学过一些包含“强度”二字的物理量 , 例如电场强度、磁感应强度等 。它们一般都表示单位时间、单位面积(或单位体积、单位立体角)上的分摊 。但电流强度中的“强度”二字并未体现电流对面积的分摊 。
实际上 , 电流对面积的分摊的事情由另一个物理量负责 , 它就是电流密度 。
既然电流的本质是电荷的定向运动 , 那么电流强度与漂移速度之间必定存在某种关系!
为了得到这个关系 , 先要明确一个概念——载流子浓度 , 即:单位体积内拥有的载流子的个数 , 用表示 。
设有导体横截面为 , 载流子的浓度为 , 漂移速度为 , 所带电荷为。
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则位于面 的左侧长为 的导体内的电荷为, 这些电荷将在 的时间内穿过该面 , 故

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