电流与电动势-大学物理教程

1.电流、电流密度

电流是由大量电荷作定向运动形成的。一般来说，电荷的携带者可以是自由电子、质子、正的或负的离子，在半导体中还可能是带正电的空穴，这些带电粒子统称为载流子。在导电媒质（如导体、电解液等）中，载流子的定向运动形成的电流叫传导电流；在自由空间（如真空等）中，带电体作机械运动形成的电流叫运流电流。本节主要讨论金属导体中的电流。

单位时间内通过某横截面的电荷量，称为电流，记作I，则

在国际单位制中，电流的单位是安培，符号为A，1 A=1 C·s-1。如果导体中的电流不随时间变化，这种电流叫恒定电流。

电流是标量，它只描述每秒通过某个面积的电荷总量，它没有说明电荷在导体截面上每一点的流动情况。当电流在大导体中流动时，导体内各处的电流分布将是不均匀的，如图12-1所示。从导电机制来看，金属导体中大量的自由电子在电场力的作用下定向移动形成宏观电流，自由电子定向运动的平均速度叫作漂移速度，用符号vd表示。设导体内单位体积内自由电子数目，即自由电子数密度为n，则单位时间内通过任一面积元dS的电流为

图12-1　电流密度的导出

定义电流密度j为

则式（12-2）可写为

电流密度是矢量，单位为A·m-2，它描述了某点处通过垂直于电流方向的单位面积上的电流，其方向与该点正电荷运动方向相同，大小为单位时间内通过该点附近垂直于j方向的单位面积的电荷。由此可知，流过任意面积S的电流为(www.xing528.com)

电流密度j可细致地描述导体内各点电流分布的情况。在导体中各点的j可以有不同的大小和方向，这就构成了一个矢量场，叫作电流场。从场的概念来看电流是一个通量概念的量，式（12-5）表示截面S上的电流I等于通过该截面的电流密度j的通量。

2.电动势

要在导体中维持恒定电流，则需在导体两端维持恒定的电势差。如何才能维持恒定的电势差呢？

如图12-2（a）所示回路中，如果开始时A、B两极板之间有电势差，在导体中就会有电场，在电场力的作用下，正电荷从A极板通过导线流向B极板，形成电流，此过程中的电流是不稳定的，当两极板正负电荷中和时电流也就停止了。如果能将流到负极板的正电荷不断地运回正极板上，并保持两极板正负电荷量不变，从而使两极板之间维持恒定的电势差，这样导线中就会有恒定的电流通过。如图12-2（b）所示，将把正电荷从电势较低的点移动到电势较高的点的作用力称为非静电力，用Fk表示，在电路中提供非静电力的装置叫作电源。在电源内部，依靠非静电力Fk克服静电力做功的过程，就是把其他形式的能量转化为电能的过程。

图12-2　电源内的非静电力

为了表征电源将其他能量转化为电能的本领，引入电动势这个概念，定义单位正电荷绕闭合回路1周时，非静电力所做的功为电源的电动势。将作用于单位正电荷上的非静电力设想为一个等效场强，称为非静电场电场强度，并以Ek表示，其方向在电源内部由电源的负极指向正极。则电动势为

由于电源外部Ek为零，所以电源电动势也可以定义为把单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极时，非静电力所做的功，即

电动势是标量，只有大小，没有方向。实际工作中常提到的电动势的方向通常是指非静电力做正功的方向，由负极经电源内部指向正极。电动势单位与电势相同均为伏，用V表示。