恒定電流條件和導(dǎo)電規(guī)律

一、電流強(qiáng)度和電流密度

在導(dǎo)體中存在大量可以自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)就形成電流，提供電流的帶電粒子就稱為載流子。在金屬導(dǎo)體中載流子是自由電子，在電解液導(dǎo)體中載流子是正、負(fù)離子，在電離的氣體中載流子是正、負(fù)離子和電子。在本章中，我們主要討論金屬導(dǎo)體的情形。

在一般的導(dǎo)體中，在沒有電場(chǎng)作用時(shí)載流子只作熱運(yùn)動(dòng)，不形成電流。在受到電場(chǎng)作用時(shí)，載流子將作定向運(yùn)動(dòng)從而形成電流，不過(guò)這個(gè)電場(chǎng)不應(yīng)該是靜電場(chǎng)，因?yàn)殪o電場(chǎng)作用于導(dǎo)體，將出現(xiàn)靜電平衡，導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)將消失，電流只能維持短暫的一瞬間。關(guān)于如何將電場(chǎng)施加于導(dǎo)體內(nèi)部，將在本節(jié)的最后討論。

為了描述電流的強(qiáng)弱，我們引入電流強(qiáng)度這個(gè)量，定義為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電量，常用符號(hào)I表示。電流強(qiáng)度常簡(jiǎn)稱為電流。如果在dt時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某截面的電量為dQ，則通過(guò)該截面的電流為

. (10-1)

電流強(qiáng)度是標(biāo)量，但由于電荷在導(dǎo)線中流動(dòng)有正、反兩個(gè)方向，所以電流有正、負(fù)之分，是代數(shù)量。而電流的正、負(fù)是按照預(yù)先選定的標(biāo)定方向來(lái)確定的，與標(biāo)定方向相同流向的電流為正電流，與標(biāo)定方向相反流向的電流為負(fù)電流。

習(xí)慣上我們把正載流子的流動(dòng)方向代表電流的方向。顯然，正載流子沿某方向流動(dòng)所形成的電流，與負(fù)載流子沿相反方向作相同流動(dòng)所形成的電流是等同的。這種等同性只限于載流子所形成的電流的大小和方向、電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)等方面，而對(duì)于霍耳效應(yīng)、電流的化學(xué)效應(yīng)等，正載流子的運(yùn)動(dòng)與負(fù)載流子沿相反方向的運(yùn)動(dòng)，具有不同的效果。

在國(guó)際單位制中，電流強(qiáng)度是七個(gè)基本物理量之一，其單位A (安培)，是七個(gè)基本單位中的一個(gè)。關(guān)于這個(gè)單位的定義，我們將在以后給出。

電流強(qiáng)度反映了單位時(shí)間內(nèi)載流子通過(guò)導(dǎo)體整個(gè)橫截面的狀況，不涉及載流子穿越該橫截面各處的細(xì)節(jié)。如果導(dǎo)體的粗細(xì)不均勻，在大截面上各處和小截面上各處載流子的分布狀況顯然是不同的。為了描述電流的分布，需要引入另一個(gè)物理量，即電流密度。電流密度是矢量，它在導(dǎo)體中任意一點(diǎn)的方向與正載流子在該點(diǎn)的流動(dòng)方向相同，它的大小等于通過(guò)該點(diǎn)并垂直于電流的單位截面的電流強(qiáng)度。如果流過(guò)導(dǎo)體中某點(diǎn)處垂直于電流方向的面元dS的電流強(qiáng)度為dI，則該點(diǎn)的電流密度可以表示為

, (10-2)式中n是面元dS的法向單位矢量。若同一點(diǎn)處的另一面元dS￠不垂直于電流，其法線n￠與該處電流密度j之間有一夾角q，如圖10-1所示。根據(jù)式(10-2)，該處電流密度的大小可以表示為

,

所以

. (10-3)

上式表示，通過(guò)任一面元單位面積的電流強(qiáng)度，等于該處電流密度矢量沿該面元法向的分量。

在國(guó)際單位制中，電流密度的單位是A × m^-2(安培/米²)。

由電流密度的定義可知，通過(guò)導(dǎo)體中任一曲面S的電流I可以表示為

. (10-4)

將上式與電通量定義式(9-22)相比較，可以看出，I與j的關(guān)系是一個(gè)通量與其矢量場(chǎng)的關(guān)系。在有電流流過(guò)的導(dǎo)體中，每一點(diǎn)都具有一定大小和方向的電流密度矢量，這些矢量就構(gòu)成了矢量場(chǎng)，稱為電流場(chǎng)。為形象描述電流場(chǎng)中電流的分布，引入電流線，電流線是按照這樣的規(guī)定所畫的一系列曲線：曲線上每點(diǎn)的切線方向都與該點(diǎn)的電流密度矢量的方向相同。由電流線圍成的管狀區(qū)域，稱為電流管。顯然，在恒定條件下，通過(guò)同一電流管的任一橫截面的電流是相等的。