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电流

电荷的定向流动。电流可以是由正电荷、负电荷或者正、负电荷同时作有规则的移动而形成。就电荷移动所产生的电磁效应而言,负电荷的移动等效于等量的正电荷沿相反方向的移动。传统规定正电荷流动的方向为电流的方向。

电流的发现

18世纪后期,电的研究逐渐由“静电”转向“动电”。1780年,意大利解剖学教授L.伽伐尼在作青蛙解剖实验中发现,电流通过时,能使蛙腿发生痉挛。在这一重大发现的影响下,1800年,意大利物理学教授A.伏打用铜片、锌片及浸透盐水的布叠置而组成伏打电堆,第一次获得了稳定而持续的电流,使电学的研究进入了蓬勃发展的新阶段。在此以后,电的化学效应、热效应等的研究迅速发展,而1820年H.C.奥斯特发现电流的磁效应及1831年M.法拉第发现电磁感应,这两个伟大的发现则深刻地揭示了电现象与磁现象之间的联系,促成了电磁学研究的飞跃发展,终于导致了经典电磁场理论的建立。

电流

单位时间内通过导体(或电流流经的区域内)任一截面的电荷量,代表通过该截面的电流强度,也称电流。

电流场和电流密度

当电流在某一区域内流动时,不同地点的电流大小和电流方向各不相同,形成一定的电流分布,叫做电流场。电流场用电流密度描述。电流场中某点的电流密度J,其方向即正电荷流动的方向,其量值等于通过垂直于电荷流动方向的面积元dS的电流dI同面积元dS之比。电流场可以用电流线来描绘,电流线上每一点的切线方向和该点的电流密度方向相同,而电流场中任一点的电流线数密度则与该点的电流密度的大小成正比。

在电流场中,通过任意曲面S的电流I可用下式表示

式中θ是电流密度J与面积元dS的正法线之间的夹角。

不随时间变化的电流场叫做稳恒电流场,在稳恒电流场中,电荷分布不随时间变化,因而电荷所产生的电场是稳恒电场。

传导电流

在电场力作用下,物体内可以自由移动的电荷(称做自由电荷)相对于物体作有规则的移动,所形成的电流称做传导电流。金属、石墨、电解液、导电气体等导体中的电流,玻璃、橡胶、油类等绝缘体中的漏电电流,导电能力介于导体和绝缘体之间的半导体中的电流等,都是传导电流。在超导体中,电流一经激发就可以持续地流动而不再需要外电场维持,一般也称做传导电流。

在不同类型的导体中,电荷的携带者(叫做载流子)各不相同。在金属中,载流子是带负电的自由电子,自由电子流动的方向与电流的方向相反。在电解液中,载流子是溶解在其中的酸、碱、盐等溶质分子离解成的正、负离子。在导电的气体中,载流子是气体中的正、负离子和电子。在半导体中,载流子是带负电的电子以及带正电的空穴。当电流是由带正电的载流子和带负电的载流子沿相反的方向流动而形成时,电流是这两者的贡献之和。

一切电流都产生磁场。例如,在电磁铁中,载电流的导线产生磁场。载电流的导线及运动的电荷在磁场中受到磁力的作用。在电动机中,载电流的线圈受到磁力的作用而转动,在磁场中,运动的带电粒子受磁力作用而偏转。电流在导体内流动时,产生热。在电池或电解槽中,电流是和化学变化相伴随的。可以利用电流的磁效应、热效应、化学效应等来检验电流的存在和量度电流。

位移电流

按照J.C.麦克斯韦所提出的位移电流假设(1861~1862),当电场变化时,在电介质(或真空)中通过任一曲面的电位移通量(即电通量)的时间变化率叫做通过该曲面的位移电流,任一点电位移的时间变化率叫做该点的位移电流密度。例如,在电容器的充电或放电过程中,电容器两极板之间形成位移电流。位移电流密度一部分来自电场强度的时间变化率,一部分来自电极化强度的时间变化率, 后者与电介质中极化电荷的微观运动相联系,叫做极化电流密度。在真空中的位移电流本质上就是电通量的变化率,因此,它虽然也叫做“电流”,其实用“电荷的流动”无关。麦克斯韦假定,位移电流也是激发磁场的源。位移电流假设是麦克斯韦电磁场理论的重要基础之一,而麦克斯韦电磁场理论已被电磁波的存在等大量实验事实所证实(见麦克斯韦方程组)。