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。
电流密度是电流对面积的分摊,故电流密度的大小为 ,但它被定义为矢量,方向即为带正电的载流子的漂移速度矢量的方向,故 据此可得到金属中电子的漂移速度,下面举个例子。
考虑铜导线,假设每个铜原子贡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
其中 为阿佛加德罗常数。查得铜的密度,代入得 的值大约为 个/立方米。
设铜导线的半径为 =0.8mm,流过的电流 为15A, =1.6 C,计算得电子的漂移速度为
可见,电子的漂移速度的确非常小。
对于研究电路的人来说,以上,就是电流的完整定义。
但在物理上,上述电流的定义其实只是一种狭义的定义。更一般的电流并非局限于导体中,只要是电荷的运动就是电流。比如氢原子的电子绕着原子核运动时,就在其轨道上形成了电流。
设电子带电量为 ,运动的周期为 。那么每经过 的时间,就有 这么大的电荷量穿过回路上的任意截面,于是电流强度为 根据周期 与频率 以及角速度 的关系,该电流也可表示为
再例如,一个带电的金属盘,绕轴旋转,也形成不同半径的环电流。
这种电流不是一般的传导电流,不能产生焦耳热!不能形成真实的电路。
要不然,你给我算算氢原子的电子每秒产生多少焦耳热?
实际上,真空中的电流不满足欧姆定律。因为,对真空中带电粒子运动形成的电流来说,载流子并不受到类似于金属中的晶格的碰撞,因此真空没有电阻也没有电导。
电荷的运动产生电流,而电荷本身要激发电场,这容易造成一种误解,很多人因此认为形成电流的带电粒子的电场必定显露出来。但实际上,对一般导体中的传导电流来说,载流子是在大量带正电的金属离子组成的背景上流动的,导体本身是中性的!
往往我们将此类特殊的电流称之为一种“等效电流”,这里的等效指的是,它与普通的传导电流同等地产生磁场!
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
实际上,我们最开始学磁场的时候,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当然也是指广义电流。
学过光电效应的人知道,光电子从阴极漂移到阳极的过程中,如果忽略空气的影响,这段电流就是电荷在真空中的运动导致的,没有电阻,因此不受欧姆定律的约束。
那么,物理学中的电流就这些吗?
非也!还有两种,分别是磁化电流和位移电流。
它们也是两种等效电流,顾名思义,也都是为解释磁性而引入的。换句话说,它们已经脱离了“电荷运动”这一电流的基本特征了!
那就奇了!连电荷运动都没有,何故可被称之为电流?
先别急,且听我慢慢道来。
先来看磁化电流。
人们发现磁是电的运动导致的(暂不考虑自旋这种内禀性质对磁性的解释),为了解释天然磁性,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心旋转,总体形成一个微小的环电流,即“分子环流”。