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电流 (15243 views - Electrical Engineering)

電流(法语:courant électrique; 德語:elektrischer Strom; 英语:electric current)是電荷的平均定向移动。电流的大小称为电流强度,是指单位时间内通过导线某一截面的电荷,每秒通过1库仑的電荷量稱为1安培。安培是國際單位制七個基本單位之一。安培計是專門測量電流的儀器。 有很多種承載電荷的載子,例如,導電體內可移動的電子、電解液內的離子、電漿內的電子和離子、強子內的夸克。這些載子的移動,形成了電流。 有一些效應和電流有關,例如電流的熱效應,根據安培定律,電流也會產生磁場,馬達、電感和發電機都和此效應有關。
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电流

电流

電流(法语:courant électrique; 德語:elektrischer Strom英语:electric current)是電荷的平均定向移动[1]。电流的大小称为电流强度,是指单位时间内通过导线某一截面的电荷,每秒通过1库仑電荷量稱为1安培。安培是國際單位制七個基本單位之一[1]安培計是專門測量電流的儀器[1]

有很多種承載電荷的載子,例如,導電體內可移動的電子電解液內的離子電漿內的電子和離子、強子內的夸克[2]。這些載子的移動,形成了電流。

有一些效應和電流有關,例如電流的熱效應,根據安培定律,電流也會產生磁場,馬達、電感和發電機都和此效應有關。

符號

電流慣例上的符號是,來自法語intensité de courant,意為電流強度[3][4]。符號最早是由法國科學家安德烈-馬里·安培 (André-Marie Ampère) 使用,電流單位安培也因此來命名[5]。此標記法由法國流傳到英國,成了那裏的標準,但在1896年時仍有期刊用表示電流,而不是用現在常見的[6]

公式与单位

電流的方向與正電荷在電路中移動的方向相同。實際上並不是正電荷移動,而是負電荷移動。電子流是電子(負電荷)在電路中的移動,其方向為電流的反向。電流強度可以用公式表達為

其中,為電流(單位是安培),電量(單位是庫侖),時間(單位是秒)。[7]

物理概念

在各種介質內的電流的物理性質

金屬

固態金屬導體內,有很多可移動的自由電子。雖然這些電子並不束縛於任何特定原子,但都束縛於金屬晶格內。甚至於在沒有外電場作用下,因為熱能,這些電子仍舊會隨機地移動。但是,在導體內,平均淨電流是零。挑選導線內部任意截面,在任意時間間隔內,從截面一邊移到另一邊的電子數目,等於反方向移過截面的數目。如同喬治·伽莫夫在他發表於1947年的科學暢銷書《One, Two, Three…Infinity》談到:

金屬物質與其它物質不同的地方,在於其最外層的電子很鬆弛地束縛於原子,電子能夠很容易地逃離原子。因此,滿佈於金屬的內部,有很多未被束縛的電子,毫無目標地游動,就好像一群無家可歸的醉漢。當施加電壓於一根金屬導線的兩端,這些自由電子會朝著電勢高的一端奔去,這樣,形成了電流。

給予一個直流電壓源,例如,電池,當連接一根導線於它的兩個接頭時,電壓源會施加電場於整個導線。在連接動作完成的同時,導線的自由電子會感受到電場力,因而往正極接頭漂移。在這裏,自由電子是電荷載子。假設在一秒內,一庫侖(6.242 × 1018個電子)的電荷漂移過導線的任意截面,則電流為一安培[8]

對於穩定的電流,電流量可以用以下方程式計算:

其中,是傳輸的電荷,是時間。

更一般地,電流可以表達為電荷隨時間的變化率,也就是電荷對於時間的導數

其它介質

在固態金屬內,電荷流動的載子是電子,從低電勢流到高電勢。在其它種介質內,任何電荷載子載子流都可以形成電流。

真空內,可以製作一個離子束ion beam)或電子束。這也是一種電流。在有些傳導性物質內,電流是由正電荷載子和負電荷載子共同形成的。在像質子導體proton conductor)一類的物質內,電流可能完全是由正電荷載子形成。例如,在水溶液內,電解質會導電,電流內的正價氫離子質子)朝著某方向流動,負價的硫酸根離子朝著反方向流動。在電花spark)或電漿內的電流內有電子、正離子、負離子。在半導體內,可以視電流為正值電洞(一個呈電中性的原子,由於少了一個負電的電子,所以那裡就會呈現出一個正電性的空位)的流動。這種半導體稱為p型半導體

電流密度

電流密度是一種度量,以向量的形式定義,其方向是電流的方向,其大小是單位截面面積的電流。採用國際單位制,電流密度的單位是「安培平方公尺」。用方程式表達,

其中,是電流,是電流密度,是截面面積向量。[9]

根據歐姆定律的另一種形式,電流密度與電場和物質的電導率的關係可以表達為

漂移速度

在導體內,可移動的電荷載子不停的隨機移動,就像氣體的粒子。為了要有淨電流,電荷載子移動的平均漂移速度必須不等於零。電子是金屬的電荷載子。電子移動的路徑沒有任何規律,從一個原子撞到另一個原子,但大致朝著電場的方向漂移。它們漂移的速度可以由以下方程式給出:

[10]

其中,是電流,是單位體積的載子數目(載子密度),是導體的截面面積,是漂移速度,是每一個載子的電荷量。

固體內的電流通常流動地非常慢。例如,假設截面面積為0.5 mm2銅線,載有電流5安培。那麼,其電子的漂移速度大約為1毫米每秒。再擧一個例子來比較,在陰極射線管的近真空內,電子移動的速度大約為光速的十分之一。

呈加速度運動中的電荷,會產生電磁波。因此,隨著時間變化的電流,會產生電磁波,以非常高的速度,傳播於導體之外。電磁波傳播的速度通常相當接近光速,比漂移速度快很多倍。這事實的相關理論可以由馬克士威方程組推導出。在電線裏的交流電流,可以從源頭傳輸電力到很遠的負載點,雖然,在電線裏的電子只來來回回地移動很少的距離。

電磁波的傳播速度和自由空間的光速的比例,稱為速度因子velocity factor),與導體的電磁性質和外面包裝的絕緣體、形狀、尺寸等等有關。

漂移速度、傳播速度、隨機運動速度,這三種速度可以類比於氣體的三種速度。比較慢的電子漂移速度類比於風速。比較快的電磁波傳播速度類比於氣體的音速。電子的隨機運動類比於氣體粒子的熱速度thermal velocity)。

電磁性質

導線所載有的電流,會在四周產生磁場,其磁場線是以同心圓圖案環繞著導線的四周。

使用電流表可以直接地測量電流。但這方法的缺點是必須切斷電路,將電流表置入電路中間。如果改用間接測量電流四周的磁場的方法,也可以測量出電流強度,同时不需要切斷電路。應用這方法來測量電流的儀器有霍爾效應感測器電流鉗變流器罗果夫斯基线圈英语Rogowski coil

歐姆定律

歐姆定律闡明,通過一個理想電阻器的電流,等於電阻器兩端的電壓除以電阻

[11]

其中,是電流(單位是安培),是電壓(單位是伏特),是電阻(單位是歐姆)。

常規

電流方向

正電荷的流動給出的電流,跟負電荷的反方向流動給出的電流相同。因此,在測量電流時,流動的電荷的正負值通常可以忽略。根據常規,假設所有流動的電荷都具有正值,稱這種流動為常規電流。常規電流代表電荷流動的淨效應,不需顧慮到載子的電荷的正負號是什麼。

在固態金屬內,正電荷載子不能流動,只有電子流動。由於電子載有負電荷,在金屬內的電子流動方向與常規電流的方向相反。

電路內的電流參考方向

當解析電機電路問題時,通常,工程師並不知道電流通過一個電路元素的真實方向。對於電路的解析,這並不重要,工程師可以任意地設定每一個電流變量的參考方向。當電機電路問題解析完畢後,通過電路元素的電流可能會擁有正值或負值。負值電流意指著,通過電路元素的電流的真實方向,相反於參考方向。

交流和直流

交流(AC)和直流(DC)是二種不同的電氣訊號型式,AC是變動電流(alternating current)的簡稱,原意是指週期性正負變化的電流,DC是直接電流(direct current)的簡稱,原意是指方向固定不變的電流,不過除了形容電流外,也常用交流和直流來形容電壓[12][13]

直流

直流(DC)原來的英文名稱是galvanic current,也稱原義是指電荷的單向流動,一般是由像電池太陽能電池等設備產生。直流電流可以在導體(例如電線)中流動,也可以在半導體絕緣體中流動,甚至在真空也可以以離子束的方式流動。在直流電中,電子以固定的方向流動,和交流電不同。[14]

交流

交流(AC)原義是指電荷的運動會週期性的變換方向,和直流不同,直流電流的電荷只會單方向流動。一般商業、家用及工業用電多半是交流電,例如一般插座提供的電就是交流電。最常見的交流電波形是正弦波,但在特殊應用中也會出現其他的波形,像三角波方波。像調幅廣播調頻廣播的訊號也是交流的例子之一,其目的是在利用調變技術,在交流訊號中加入要傳遞的訊號後傳遞,而接收端可以再還原為原始的訊號。

交流訊號有週期性的變化,其週期的倒數即為頻率,常見的電源頻率為50或60Hz。有些交流訊號的頻率為定值,也有些不是定值,像调频广播的頻率就不是固定值。

自然發生形式

在大自然可以觀測到的電流有閃電太陽風等等例子。太陽風是從恆星上層大氣射出的超高速(帶電粒子)流[15],會造成極光北極光南極光)。人造的電流包括傳導電子的流動於金屬導線、高壓電線的長距離傳輸電力、電機設備內的細小導線、電路板的金屬線路等等。在電子學裏,電流的形式包括電子的流動通過電阻器、電子的移動通過真空管的真空、離子的流動於電池神經細胞電洞的流動於半導體。

電擊安全須知

使用電的時候,必須特別注意到用電安全,才不致遭到電擊意外。因為接觸電源,身體的某一部位有電流通過時,我們說此部位遭到電擊。電流通過身體的流量大小決定了電擊的後果。這與接觸的程度、身體的部位、電源的電壓等等,有很大關係。雖然微小的電擊只會產生刺痛感覺,大幅度的電擊,假若接觸到皮膚,會造成嚴重灼傷,假若通過心臟,會造成心搏停止。電擊的後果因人而異[16]

電器過熱也很危險。超過負載限度的高壓電線時常會造成火災。將一個很小的三號電池跟金屬錢幣放在口袋裡,很可能會引起短路,使得電池和錢幣快速加熱,因而造成灼傷。鎳鎘電池鎳氫電池鋰電池,這三種電池特別危險,由於內電阻很低,它們可以給出很大的電流。

參閱

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho. Learn Physics Today!. Lima, Peru: Colegio Dr. Franklin D. Roosevelt. March 1998 [2009-03-10]. 
  2. ^ Anthony C. Fischer-Cripps. The electronics companion. CRC Press. 2004: 13. ISBN 9780750310123. 
  3. ^ T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 978-0-7487-6748-9.
  4. ^ Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 978-0-675-20449-1.
  5. ^ A-M Ampère, Recuil d'Observations Électro-dynamiques, p. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
  6. ^ Electric Power, vol. 6, p. 411, 1894.
  7. ^ 張大同. 創新班和理科班用. 物理. 高中. 下册. 上海: 上海教育出版社. 2012年8月: P67. ISBN 978-7-5444-4044-8 (中文(中国大陆)‎). 
  8. ^ Lüders, Klaus; Robert Otto Pohl, Pohls Einführung in die Physik: Band 2: Elektrizitätslehre und Optik Auflage: 24, Deutschland: Springer Spektrum: 7–12, 2018, ISBN 978-3-662-54854-7 
  9. ^ 程稼夫. 中学奥林匹克竞赛物理教程. 电磁学篇. 中国科技大学出版社. 2004年3月: P103. ISBN 978-7-312-01648-6 (中文(中国大陆)‎). 
  10. ^ 程稼夫. 中学奥林匹克竞赛物理教程. 电磁学篇. 中国科技大学出版社. 2004年3月: 104. ISBN 978-7-312-01648-6 (中文(中国大陆)‎). 
  11. ^ Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker, Fundamental of Physics 7th, USA: John Wiley and Sons, Inc.: pp. 691–692, 2005, ISBN 0-471-23231-9 
  12. ^ N. N. Bhargava and D. C. Kulshreshtha. Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. 1983: 90. ISBN 978-0-07-451965-3. 
  13. ^ National Electric Light Association. Electrical meterman's handbook. Trow Press. 1915: 81. 
  14. ^ Andrew J. Robinson, Lynn Snyder-Mackler. Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing 3rd. Lippincott Williams & Wilkins. 2007: 10. ISBN 978-0-7817-4484-3. 
  15. ^ 太空天氣簡介/什麼是太陽風?
  16. ^ Gallauziaux, Thierry; David Fedullo, Le grand livre de l'électricité 5è édition, France: Eyrolles: 182–185, 2018, ISBN 978-2-21267-606-8 


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