电流

电流的强弱用电流强度来描述，电流强度是单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，简称电流，用I表示。^[4]

电流强度是标量，习惯上常将正电荷的运动方向规定为电流的方向。在导体中，电流的方向总是沿着电场方向从高电势处指向低电势处。在国际单位制中，电流强度的单位是安培（A），它是SI制中的七个基本单位之一。^[4]

一些常见的电流：电子手表 1.5μA~2μA，白炽灯泡 200mA，手机 100mA，空调 5A~10A，高压电 200A，闪电 20000A~200000A。^[5]

定义公式：

。即：在一段时间Δt内，通过导体横截面的电荷量ΔQ，单位是库仑；Δt为电荷通过导体的时间，单位是秒^[5] 。

物理上规定电流的方向，是正电荷定向运动的方向（即正电荷定向运动的速度的正方向或负电荷定向运动的速度的反方向）。电流运动方向与电子运动方向相反。^[6]

电荷指的是自由电荷，在金属导体中的自由电荷是自由电子，在酸、碱、盐的水溶液中是正离子和负离子。

在电源外部电流由正极流向负极，在电源内部由负极流回正极。^[6]

电流密度是一种度量，以矢量的形式定义，其方向是电流的方向，其大小是单位截面面积的电流。采用国际单位制，电流密度的单位是“安培/米²”。定义式为：

，其中D_k是电流密度，单位为A/m²，I是电流强度，单位为A，S是负极（或正极）的总面积，m²。^[7]

通过导体横截面的电荷量Q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流，也叫电流强度。即I=Q/t。如果在1s内通过导体横截面的电荷量是1C，导体中的电流就是1A。^[8]

决定电流大小的微观量：在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C，设导体的横截面积为S，导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个电荷的电荷量为e，电荷的定向移动速率为v，则在时间t内处于相距为vt的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面C。由

（I=ΔQ/Δt），可得I=nesv。^[8]

其中，

n：表示单位体积内的自由电荷数；^[8]

e：自由电荷的电量；^[8]

s：为导体横截面积；^[8]

v：为自由电荷定向移动的速率。^[8]

在

中，如果正负离子同时移动形成电流，那么Q为两种电荷的电量和。^[8]

电流的方向与正电荷在电路中移动的方向相同。在日常的电路中，其实并不是正电荷移动，而是负电荷的移动。金属中的自由电子带负电，在电路中移动的方向为电流的反向。电流与电压、电阻间的关系为：

（部分电路欧姆定律）。^[8]

假设n个用电器串联，则

电流：I_总=I₁=I₂…=I_n（串联电路中，电路各部分的电流相等）；^[9]

电压：U_总=U₁+U₂…+U_n（总电压等于各部分电压之和）；^[9]

电阻：R_总=R₁+R₂…+R_n（总电阻等于各部分电阻之和）。^[9]

假设n个用电器并联，则

电流：I_总=I₁+I₂…+I_n（并联电路中，干路电流等于各支路电流之和）；^[9]

电压：U_总=U₁=U₂…=U_n（各支路两端电压相等并等于电源电压）；^[9]

电阻：

（总电阻倒数等于各部分电阻倒数之和）。当2个用电器并联时，有以下推导公式：

。^[9]

（1）串联

由U_总=U₁+U₂…+U_n，得到I_总R_总=I₁R₁+I₂R₂…+I_nR_n。因为串联电路各部分电流相等，即I_总=I₁=I₂…=I_n，所以得到：R_总=R₁+R₂…+R_n（例如：一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻串联，其串联的总电阻为9Ω）。^[10]

（2）并联

由I_总=I₁+I₂…+I_n，得到U_总/R_总=U₁/R₁+U₂/R₂…+U_n/R_n。因为并联电路各部分电压等于总电压，即U_总=U₁=U₂…=U_n，所以得到：

（例如：一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻并联，其并联的总电阻为2Ω）。^[10]

对于只有两个电阻并联的部分来说，可以继续推导出以下公式：由

，可知

。^[10]

由上面的公式还可以得到一个结论：串联的总电阻大于其任意一分电阻，并联的总电阻小于其任意一分电阻。^{[10] [11]}

导体通电时会发热，把这种现象叫做电流热效应。例如：比较熟悉的焦耳定律，是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。^[12]

电流的磁效应：奥斯特发现，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。^[12]

电的化学效应主要是电流中的带电粒子（电子或离子）参与而使得物质发生了化学变化。化学中的电解水或电镀等都是电流的化学效应。^[12]

电流分为交流电流和直流电流。^[12]

交流电：大小和方向都发生周期性变化。生活中插墙式电器使用的是民用交流电源。交流电在家庭生活、工业生产中有着广泛的使用，生活民用电压220V、通用工业电压380V，都属于危险电压。^[12]

直流电：方向不随时间发生改变。生活中使用的可移动外置式电源提供的的是直流电。直流电一般被广泛使用于手电筒（干电池）、手机（锂电池）等各类生活小电器等。干电池（1.5V）、锂电池、蓄电池等被称之为直流电源。因为这些电源电压都不会超过24V，所以属于安全电源。^[12]

直流电流表接线时，应注意其正负极性，电流表的正接线桩接实际电流来的方向（电源的正极，即高电位点），电流表的负接线桩接实际电流流出的方向（电源的负极，即低电位点）。^[13]

先把电流表的指针调到0的位置。把电流表线柱接在干电池的正极。电流表的负接线柱接到能量值的5A接线柱（很强的电流通过时，其他的柱会被破坏掉）。如果连接5A的接线柱指针不动时，依次试着连接500mA、50mA的接线柱。

具体使用方法如下：^[14]

钳形电流表（简称钳表），是集电流互感器与电流表于一身的仪表，其工作原理与电流互感器测电流是一样的。钳形表是由电流互感器和电流表组合而成。电流互感器的铁心在捏紧扳手时可以张开，被测电流所通过的导线可以不必切断就可穿过铁心张开的缺口，当放开扳手后铁心闭合。穿过铁心的被测电路导线就成为电流互感器的一次线圈，其中通过电流便在二次线圈中感应出电流。从而使二次线圈相连接的电流表便有指示——测出被测线路的电流。^[15]

钳形电流表分高、低压两种，用于在不拆断线路的情况下直接测量线路中的电流。^[15]

乔治·西蒙·欧姆（1789~1854），德国物理学家，生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆的父亲是一个技术熟练的锁匠，对哲学和数学都十分爱好。欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技能的训练，这对他后来进行研究工作特别是自制仪器有很大的帮助。欧姆的研究，主要是在1817年~1827年担任中学物理教师期间进行的。他的研究工作是在十分困难的条件下进行的。他不仅要忙于教学工作，而且图书资料和仪器都很缺乏，所以他只能利用业余时间，自己动手设计和制造仪器来进行有关的实验。1826年，欧姆发现了电学上的一个重要定律——欧姆定律，这是他的贡献。这个定律在我们今天看来很简单，然而它的发现过程却并非如一般人想象的那么简单。欧姆为此付出了十分艰巨的劳动。在那个年代，人们对电流强度、电压、电阻等概念都还不大清楚，特别是电阻的概念还没有，当然也就根本谈不上对它们进行精确测量了；况且欧姆本人在他的研究过程中，也几乎没有机会跟他那个时代的物理学家进行接触，他的这一发现是独立进行的。欧姆地运用库仑的方法制造了电流扭力秤，用来测量电流强度，引入和定义了电动势、电流强度和电阻的精确概念。^[16]

欧姆发现了电阻中电流与电压的正比关系，即的欧姆定律。欧姆还证明了导体的电阻与其长度成正比，与其横截面积和传导系数成反比，以及在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面上运动。为纪念欧姆在电学上的重要贡献，国际物理协会将电学中电阻的单位命名为欧姆，用希腊字母欧米伽（Ω）来作为电阻的符号。欧姆的名字也被用于其他物理及相关技术内容中，比如“欧姆接触”“欧姆杀菌”“欧姆表”等。^[16]

安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère，1775~1836），法国物理学家，对数学和化学也有贡献。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。年少时就显出数学才能。^[17]

科学成就：

1．安培最主要的成就是1820年~1827年对电磁作用的研究。

①发现了安培定则

奥斯特发现电流磁效应的实验，引起了安培注意，使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动，他全部精力集中研究，两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告，以后这个定则被命名为安培定则。^[17]

②发现电流的相互作用规律

接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引，电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。^[17]

③发明了电流计

安培还发现，电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似，创制出个螺线管，在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。^[17]

④提出分子电流的假说

他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。提出了的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流——分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子成为小磁体，两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实，它带有相当大的臆测成分；在今天已经了解到物质由分子组成，而分子由原子组成，原子中有绕核运动的电子，安培的分子电流假说有了实在的内容，已成为认识物质磁性的重要依据。^[17]

⑤总结了电流元之间的作用规律——安培定律

安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律，描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这定律称为安培定律。安培个把研究动电的理论称为“电动力学”，1827年安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中。这是电磁学一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名。^[17]

他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微方程；他几乎与H. 戴维同时认识元素氯和碘，导出过阿伏伽德罗定律，论证过恒温下体积和压强之间的关系（玻意耳定律），还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。^[17]

2．“电学中的牛顿”

安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，成为电磁学一部重要的经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一，还把安培誉为“电学中的牛顿”。^[17]

安培还是发展测电技术的人，他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器，以后经过改进称电流计。^[17]

安培在他的一生中，只有很短的时期从事物理工作，可是他却能以的、透彻的分析，论述带电导线的磁效应，因此我们称他是电动力学的先创者，他是当之无愧的。^[17]

造成触电伤亡的主要因素一般有以下几方面：

1．通过人体电流的大小。根据电击事故分析得出：当工频电流为0.5～1mA时，人就有手指、手腕麻或痛的感觉；当电流增至8～10mA时，针刺感、疼痛感增强发生痉挛而抓紧带电体，但终能摆脱带电体；当接触电流达到20～30mA时，会使人迅速麻痹不能摆脱带电体，而且血压升高，呼吸困难；电流为50mA时，就会使人呼吸麻痹，心脏开始颤动，数秒钟后就可致命。通过人体电流越大，人体生理反应越强烈，病理状态越严重，致命的时间就越短。^[18]

2．通电时间的长短。电流通过人体的时间越长后果越严重。这是因为时间越长，人体的电阻就会降低，电流就会增大。同时，人的心脏每收缩、扩张一次，中间有0.1s的时间间隙期。在这个间隙期内，人体对电流作用最敏感。所以，触电时间越长，与这个间隙期重合的次数就越多，从而造成的危险也就越大。^[18]

3．电流通过人体的途径。当电流通过人体的内部重要器官时，后果就严重。例如通过头部，会破坏脑神经，使人死亡。通过脊髓，会破坏中枢神经，使人瘫痪。通过肺部会使人呼吸困难。通过心脏，会引起心脏颤动或停止跳动而死亡。这几种伤害中，以心脏伤害严重。根据事故统计得出：通过人体途径最危险的是从手到脚，其次是从手到手，危险最小的是从脚到脚，但可能导致二次事故的发生。^[18]

4．电流的种类。电流可分为直流电、交流电。交流电可分为工频电和高频电。这些电流对人体都有伤害，但伤害程度不同。人体忍受直流电、高频电的能力比工频电强。所以，工频电对人体的危害。^[18]

5．触电者的健康状况。电击的后果与触电者的健康状况有关。根据资料统计，肌肉发达者、成年人比儿童摆脱电流的能力强，男性比女性摆脱电流的能力强。电击对患有心脏病、肺病、内分泌失调及精神病等患者最危险。他们的触电死亡率。另外，对触电有心理准备的，触电伤害轻。^[18]