没有人比我更懂电流，今天带你重新熟悉电流

电流是什么？起首追念下，我们学过的电流的界说是什么？

很简便，导体中的带电粒子的定向活动就是电流。

仅有当物质内具有能自在挪动的带电粒子，它才可以传输电流——即导电。这些到场导电的带电粒子称之为载流子。比如对金属来说，仅有原子的外层电子才干充任载流子。

电流界说中的“定向活动”屡屡被错误的了解，很多人以为是指朝向确定的活动，固然不是！交换电路中的电子的活动朝向不是变来变去嘛？

但是，定向活动是干系于“无规活动”来说的！

电子既然是微观粒子，它一定无时无刻不在做热活动，热活动是一种无规活动，如下图所示。

这种活动但是很快。比如，常温下金属中，电子热活动的速率的数目级达每秒数百公里！

仔细看这种无规活动，你会发觉，随意时候，各个粒子的活动朝向是随机的。假如将这些粒子的速率矢量加起来，后果几乎为零。

如今给导体加上一个电场，电子在无规活动基本上，叠加了一种定向活动。假定某段时间，电场向左，则电子的活动看起来是底下如此的，赤色小球代表晶格上的金属原子，快速活动的小点代表自在电子。

是不是看起来很快？那是由于电子活动的确很快！但实践上，这内里占比重很大的无规活动对电流并没有奉献，当把无规活动剔除之后，剩下的就像底下这个慢吞吞的样子。

的确，比起热活动速率来说，电子的定向活动的速率慢多了。电子这种”磨洋工”般的活动被称之为drift，即“漂移”。偶尔分，电子也会往相反朝向跑，那是由于遭到原子的碰撞。但总体上，电子是往一个朝向活动的。

假如电场改动朝向，则电子漂移的朝向也将改动。

以是，这种定向活动是指，某个时候全体到场导电的电子的速率之和不为零，而是总体朝某个朝向。这个朝向可随时改动，那就是交换电的情况。

以是，与其说电流是电荷的“定向活动”，还不如说电流是电荷的“团队活动”。

导体中的电流的轻重用电流强度表现。电流强度界说为：单位时间内经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，比如电场强度、磁以为强度等。它们寻常都表现单位时间、单位面积（或单位体积、单位平面角）上的分摊。但电流强度中的“强度”二字并未体现电流劈面积的分摊。

实践上，电流劈面积的分摊的事变由另一个物理量卖力，它就是电流密度。

既然电流的实质是电荷的定向活动，那么电流强度与漂移速率之间一定存在某种干系！

为了取得这个干系，先要明白一个看法——载流子浓度，即：单位体积内拥有的载流子的个数，用 表现。

设有导体横截面为 ，载流子的浓度为 ，漂移速率为 ，所带电荷为 。

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

这是电流强度的微观表达式。

电流密度是电流劈面积的分摊，故电流密度的轻重为 ，但它被界说为矢量，朝向即为带正电的载流子的漂移速率矢量的朝向，故 据此可取得金属中电子的漂移速率，底下举个例子。

思索铜导线，假定每个铜原子奉献一个电子作为载流子。现有1mol的铜，它的体积为 ，摩尔质量为 ，密度为 ，则铜导线的载流子的浓度为

此中 为阿佛加德罗常数。查得铜的密度，代入得 的值约莫为 个/立方米。

设铜导线的半径为 =0.8mm，流过的电流 为15A， =1.6 C，盘算得电子的漂移速率为

可见，电子的漂移速率的确十分小。

关于研讨电路的人来说，以上，就是电流的完备界说。

但在物理上，上述电流的界说但是只是一种局面意思的界说。更寻常的电流并非范围于导体中，只需是电荷的活动就是电流。好比氢原子的电子绕着原子核活动时，就在其轨道上构成了电流。

设电子带电量为 ，活动的周期为 。那么每颠末 的时间，就有 这么大的电荷量穿过回路上的随意截面，于是电流强度为 依据周期 与频率 以及角速率 的干系，该电流也可表现为

再比如，一个带电的金属盘，绕轴旋转，也构成不同半径的环电流。

这种电流不是寻常的传导电流，不克不及产生焦耳热！不克不及构成真实的电路。

要不然，你给我算算氢原子的电子每秒产生几多焦耳热？

实践上，真空中的电流不满意欧姆定律。由于，对真空中带电粒子活动构成的电流来说，载流子并不遭到相似于金属中的晶格的碰撞，因此真空没有电阻也没有电导。

电荷的活动产生电流，而电荷本身要引发电场，这容易形成一种曲解，很多人因此以为构成电流的带电粒子的电场一定体现出来。但实践上，对寻常导体中的传导电流来说，载流子是在多量带正电的金属离子构成的背景崇高动的，导体本身是中性的！

屡屡我们将此类特别的电流称之为一种“等效电流”，这里的等效指的是，它与平凡的传导电流划一地产生磁场！

温馨提示：不要将此处的“等效电流”与电路分析中的“等效电路”搞混了

实践上，我们最开头学磁场的时分，毕奥-萨法尔定律中的电流就是包含这种等效电流的广义电流。而麦克斯韦方程组中的传导电流固然也是指广义电流。

学过光电效应的人晓得，光电子从阴极漂移到阳极的历程中，假如忽略氛围的影响，这段电流就是电荷在真空中的活动招致的，没有电阻，因此不受欧姆定律的束缚。

那么，物理学中的电流就这些吗？

非也！另有两种，分散是磁化电流和位移电流。

它们也是两种等效电流，望文生义，也都是为表明磁性而引入的。换句话说，它们以前离开了“电荷活动”这一电流的基本特性了！

那就奇了！连电荷活动都没有，何以可被称之为电流？

先别急，且听我徐徐道来。

先来看磁化电流。

人们发觉磁是电的活动招致的（暂不思索自旋这种内禀实质对磁性的表明），为了表明天然磁性，法国物理学家安培提出了“分子环流”假说。

如下图所示，任何一个原子或分子，都可以看作有电荷绕着中央旋转，总体构成一个弱小的环电流，即“分子环流”。

依据电流引发磁场的纪律，这个分子环流将产生一个叫做磁矩的物理量。它的轻重为分子环流包抄的面积 乘以分子环流的等效电流 ，朝向与环流朝向成右手螺旋干系，即

很显然，磁矩的朝向恰好沿环流构成的磁场 的朝向。

寻常情况下，物质的分子环流分列是杂乱的，因此物质不显磁性，如下图右方所示。当遭到外磁场作用时，这些分子环流将大抵划一分列。如下图右方所示，它们的磁矩尽约莫沿一个朝向分列，就像多数个小磁针会萃在一同，构成一个总的磁场，由它们构成的物质全体就展现磁性了。

假定有一个圆柱形磁铁，内里的分子环流分列划一，那些处在磁铁截面边沿处的每个分子环流的一段连在一同，构成一个大的环流，如下图所示。

据此我们可以为，一个条形磁铁就像一个通电螺线管一样。换句话说，磁铁的外表有看不见的电流缠绕着！这种电流无法被接出来使用，它被范围在磁体的外表，我们称之为“束缚电流”，或叫“磁化电流”。

以是，磁化电流之以是是电流，由于它与真实的电荷活动构成的电流一样，能等效地产生磁场！

再来看位移电流。

依据安培环路定理，磁场强度对闭合途径的积分即是以此途径为界限的随意曲面上的电流密度的通量，即 这个定理在数学上叫斯托克斯定理。它报告我们，矢量沿着随意闭合途径的积分，一定即是它的旋度（这里是 ）对以该闭合途径为界限的随意曲面的通量。

既然它是一个数学定理，它一定永久是对的，由于数学是创建在正理上的逻辑体系。

因此，安培环路定理也一定总是建立的！

但是，天赋的苏格兰物理学家麦克斯韦发觉， 劈面临非稳恒电流电路时，安培环路定理却显现了分歧。

典范的非稳恒电流显如今电容器充电和放电历程中。如下图所示，在电容器充电的暂时历程中，存在一个非稳恒的电流。

但电路在电容器极板间是断开的，这将招致一个严峻成绩。

设我们思索某绕过导线的闭合途径，如下图所示中的C所标识的圆形，以它为界限的曲面可以随意选择，图中选择了C本身围住的圆平面 ，以及跨过电容器左极板的曲面 。???

依据圆面 ，可知 但依据曲面 却又有 但作为磁场强度的环路积分，它的值应该是确定的！

怎样办？

麦克斯韦信赖，安培环路定理必需建立，如今出了成绩，那一定是由于有一局部电流之前没有被我们发觉，但它的确存在！

那么，怎样把这局部电流找出来呢？

既然成绩显如今极板之间，那么就从极板之间动手。

麦克斯韦通太过析发觉，无论充电照旧放电，时时刻刻，电容器极板之间存在一个与电流轻重和朝向都同步的物理量。它就是电位移矢量 的通量 的时间导数，即 于是界说 称之为位移电流。

假如以为这局部就是之前没被发觉的那局部电流的话，那么完备的电流如今是 也就是说，极板间电路固然断开了，但电位移通量的导数和电流之和一同，作为一个全体 ，时候确保了电流的一连性。

回到前方的分歧，如今晓得了，依照斯托克斯定理的要求，当对闭合曲面盘算电流密度的通量时，位移电流的密度也应该思索，即 故完备的安培环路定理是 因此，经过“发觉”这个新的电流因素，安培环路定理的危急处理了！

之以是这里不必“引入”，而用“发觉”，想重申的是，这种电流不是一种数学上的补偿，而是真实存在的东西，只不外之前没发觉罢了。

为什么说它是原本就存在的呢？由于它作为电流，与传导电流一样，等效地引发磁场，只不外没有电荷的活动，不必要导线引导，也不克不及产生焦耳热，因此不休被忽略了！

但它但是本身就存在，只不外低调点罢了，它不休就在那边静静的引发着磁场呢！

换句话说，当我们面临磁场时，原先关于电流的界说太局促了。电流的实质不是电荷的活动，它应该是一种能引发磁场的东西。

到此，电流的几种存在的情势都先容完了。它们都是客观存在的，它们的协同之处是：一切的电流都能等效的引发磁场。

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不代表中科院物理所态度

原标题：有不必要电荷的电流？电流毕竟是什么？

泉源：大学物理学

编纂：Garrett