電流是什么？首先回想下，我們學(xué)過(guò)的電流的定義是什么？
很簡(jiǎn)單，導(dǎo)體中的帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)就是電流。
只有當(dāng)物質(zhì)內(nèi)具有能自由移動(dòng)的帶電粒子，它才可以傳輸電流——即導(dǎo)電。這些參與導(dǎo)電的帶電粒子稱之為載流子。例如對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，只有原子的外層電子才能充當(dāng)載流子。
電流定義中的“定向運(yùn)動(dòng)”往往被錯(cuò)誤的理解，很多人以為是指方向確定的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然不是！交流電路中的電子的運(yùn)動(dòng)方向不是變來(lái)變?nèi)ヂ铮?/p>
其實(shí)，定向運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于“無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)”來(lái)說(shuō)的！
電子既然是微觀粒子，它必定無(wú)時(shí)無(wú)刻不在做熱運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)是一種無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。
這種運(yùn)動(dòng)其實(shí)很快。例如，常溫下金屬中，電子熱運(yùn)動(dòng)的速度的數(shù)量級(jí)達(dá)每秒數(shù)百公里！
仔細(xì)看這種無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，任意時(shí)刻，各個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的。如果將這些粒子的速度矢量加起來(lái)，結(jié)果幾乎為零。
現(xiàn)在給導(dǎo)體加上一個(gè)電場(chǎng)，電子在無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，疊加了一種定向運(yùn)動(dòng)。假設(shè)某段時(shí)間，電場(chǎng)向左，則電子的運(yùn)動(dòng)看起來(lái)是下面這樣的，紅色小球代表晶格上的金屬原子，快速運(yùn)動(dòng)的小點(diǎn)代表自由電子。
是不是看起來(lái)很快？那是因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)確實(shí)很快！但實(shí)際上，這里面占比重很大的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)對(duì)電流并沒(méi)有貢獻(xiàn)，當(dāng)把無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)剔除之后，剩下的就像下面這個(gè)慢悠悠的樣子。
的確，比起熱運(yùn)動(dòng)速度來(lái)說(shuō)，電子的定向運(yùn)動(dòng)的速度慢多了。電子這種”磨洋工”般的運(yùn)動(dòng)被稱之為drift，即“漂移”。有時(shí)候，電子也會(huì)往相反方向跑，那是因?yàn)槭艿皆拥呐鲎病５傮w上，電子是往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的。
如果電場(chǎng)改變方向，則電子漂移的方向也將改變。
所以，這種定向運(yùn)動(dòng)是指，某個(gè)時(shí)刻全體參與導(dǎo)電的電子的速度之和不為零，而是總體朝某個(gè)方向。這個(gè)方向可隨時(shí)改變，那就是交流電的情形。
所以，與其說(shuō)電流是電荷的“定向運(yùn)動(dòng)”，還不如說(shuō)電流是電荷的“集體運(yùn)動(dòng)”。
導(dǎo)體中的電流的大小用電流強(qiáng)度表示。電流強(qiáng)度定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量，即
我們學(xué)過(guò)一些包含“強(qiáng)度”二字的物理量，例如電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等。它們一般都表示單位時(shí)間、單位面積（或單位體積、單位立體角）上的分?jǐn)偂５娏鲝?qiáng)度中的“強(qiáng)度”二字并未體現(xiàn)電流對(duì)面積的分?jǐn)偂?/p>
實(shí)際上，電流對(duì)面積的分?jǐn)偟氖虑橛闪硪粋€(gè)物理量負(fù)責(zé)，它就是電流密度。
既然電流的本質(zhì)是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，那么電流強(qiáng)度與漂移速度之間必定存在某種關(guān)系！
為了得到這個(gè)關(guān)系，先要明確一個(gè)概念——載流子濃度，即：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)擁有的載流子的個(gè)數(shù)，用 表示。
設(shè)有導(dǎo)體橫截面為 ，載流子的濃度為 ，漂移速度為 ，所帶電荷為 。
則位于面 的左側(cè)長(zhǎng)為 的導(dǎo)體內(nèi)的電荷為 ，這些電荷將在 的時(shí)間內(nèi)穿過(guò)該面，故
這是電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式。
電流密度是電流對(duì)面積的分?jǐn)偅孰娏髅芏鹊拇笮?nbsp;，但它被定義為矢量，方向即為帶正電的載流子的漂移速度矢量的方向，故 據(jù)此可得到金屬中電子的漂移速度，下面舉個(gè)例子。
考慮銅導(dǎo)線，假設(shè)每個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)電子作為載流子。現(xiàn)有1mol的銅，它的體積為 ，摩爾質(zhì)量為 ，密度為 ，則銅導(dǎo)線的載流子的濃度為
其中 為阿佛加德羅常數(shù)。查得銅的密度，代入得 的值大約為 個(gè)/立方米。
設(shè)銅導(dǎo)線的半徑為 =0.8mm，流過(guò)的電流 為15A， =1.6 C，計(jì)算得電子的漂移速度為
可見(jiàn)，電子的漂移速度的確非常小。
對(duì)于研究電路的人來(lái)說(shuō)，以上，就是電流的完整定義。
但在物理上，上述電流的定義其實(shí)只是一種狹義的定義。更一般的電流并非局限于導(dǎo)體中，只要是電荷的運(yùn)動(dòng)就是電流。比如氫原子的電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，就在其軌道上形成了電流。
設(shè)電子帶電量為 ，運(yùn)動(dòng)的周期為 。那么每經(jīng)過(guò) 的時(shí)間，就有 這么大的電荷量穿過(guò)回路上的任意截面，于是電流強(qiáng)度為 根據(jù)周期 與頻率 以及角速度 的關(guān)系，該電流也可表示為
再例如，一個(gè)帶電的金屬盤，繞軸旋轉(zhuǎn)，也形成不同半徑的環(huán)電流。
這種電流不是一般的傳導(dǎo)電流，不能產(chǎn)生焦耳熱！不能形成真實(shí)的電路。
要不然，你給我算算氫原子的電子每秒產(chǎn)生多少焦耳熱？
實(shí)際上，真空中的電流不滿足歐姆定律。因?yàn)椋瑢?duì)真空中帶電粒子運(yùn)動(dòng)形成的電流來(lái)說(shuō)，載流子并不受到類似于金屬中的晶格的碰撞，因此真空沒(méi)有電阻也沒(méi)有電導(dǎo)。
電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，而電荷本身要激發(fā)電場(chǎng)，這容易造成一種誤解，很多人因此認(rèn)為形成電流的帶電粒子的電場(chǎng)必定顯露出來(lái)。但實(shí)際上，對(duì)一般導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流來(lái)說(shuō)，載流子是在大量帶正電的金屬離子組成的背景上流動(dòng)的，導(dǎo)體本身是中性的！
往往我們將此類特殊的電流稱之為一種“等效電流”，這里的等效指的是，它與普通的傳導(dǎo)電流同等地產(chǎn)生磁場(chǎng)！
溫馨提示：不要將此處的“等效電流”與電路分析中的“等效電路”搞混了
實(shí)際上，我們最開(kāi)始學(xué)磁場(chǎng)的時(shí)候，畢奧-薩法爾定律中的電流就是包含這種等效電流的廣義電流。而麥克斯韋方程組中的傳導(dǎo)電流當(dāng)然也是指廣義電流。
學(xué)過(guò)光電效應(yīng)的人知道，光電子從陰極漂移到陽(yáng)極的過(guò)程中，如果忽略空氣的影響，這段電流就是電荷在真空中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，沒(méi)有電阻，因此不受歐姆定律的約束。
那么，物理學(xué)中的電流就這些嗎？
非也！還有兩種，分別是磁化電流和位移電流。
它們也是兩種等效電流，顧名思義，也都是為解釋磁性而引入的。換句話說(shuō)，它們已經(jīng)脫離了“電荷運(yùn)動(dòng)”這一電流的基本特征了！
那就奇了！連電荷運(yùn)動(dòng)都沒(méi)有，何故可被稱之為電流？
先別急，且聽(tīng)我慢慢道來(lái)。
先來(lái)看磁化電流。
人們發(fā)現(xiàn)磁是電的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的（暫不考慮自旋這種內(nèi)稟性質(zhì)對(duì)磁性的解釋），為了解釋天然磁性，法國(guó)物理學(xué)家安培提出了“分子環(huán)流”假說(shuō)。
如下圖所示，任何一個(gè)原子或分子，都可以看作有電荷繞著中心旋轉(zhuǎn)，總體形成一個(gè)微小的環(huán)電流，即“分子環(huán)流”。
根據(jù)電流激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律，這個(gè)分子環(huán)流將產(chǎn)生一個(gè)叫做磁矩的物理量。它的大小為分子環(huán)流包圍的面積 乘以分子環(huán)流的等效電流 ，方向與環(huán)流方向成右手螺旋關(guān)系，即
很顯然，磁矩的方向正好沿環(huán)流形成的磁場(chǎng) 的方向。
一般情況下，物質(zhì)的分子環(huán)流排列是混亂的，因此物質(zhì)不顯磁性，如下圖左邊所示。當(dāng)受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些分子環(huán)流將大致整齊排列。如下圖右邊所示，它們的磁矩盡可能沿一個(gè)方向排列，就像無(wú)數(shù)個(gè)小磁針聚集在一起，形成一個(gè)總的磁場(chǎng)，由它們構(gòu)成的物質(zhì)整體就呈現(xiàn)磁性了。
假設(shè)有一個(gè)圓柱形磁鐵，內(nèi)部的分子環(huán)流排列整齊，那些處在磁鐵截面邊緣處的每個(gè)分子環(huán)流的一段連在一起，形成一個(gè)大的環(huán)流，如下圖所示。
據(jù)此我們可認(rèn)為，一個(gè)條形磁鐵就像一個(gè)通電螺線管一樣。換句話說(shuō)，磁鐵的表面有看不見(jiàn)的電流纏繞著！這種電流無(wú)法被接出來(lái)使用，它被局限在磁體的表面，我們稱之為“束縛電流”，或叫“磁化電流”。
所以，磁化電流之所以是電流，因?yàn)樗c真實(shí)的電荷運(yùn)動(dòng)形成的電流一樣，能等效地產(chǎn)生磁場(chǎng)！
再來(lái)看位移電流。
根據(jù)安培環(huán)路定理，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)閉合路徑的積分等于以此路徑為邊界的任意曲面上的電流密度的通量，即 這個(gè)定理在數(shù)學(xué)上叫斯托克斯定理。它告訴我們，矢量沿著任意閉合路徑的積分，一定等于它的旋度（這里是 ）對(duì)以該閉合路徑為邊界的任意曲面的通量。
既然它是一個(gè)數(shù)學(xué)定理，它必定永遠(yuǎn)是對(duì)的，因?yàn)閿?shù)學(xué)是建立在公理上的邏輯體系。
因此，安培環(huán)路定理也必定總是成立的！
然而，天才的蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)面對(duì)非穩(wěn)恒電流電路時(shí)，安培環(huán)路定理卻出現(xiàn)了矛盾。
典型的非穩(wěn)恒電流出現(xiàn)在電容器充電和放電過(guò)程中。如下圖所示，在電容器充電的短暫過(guò)程中，存在一個(gè)非穩(wěn)恒的電流。
但電路在電容器極板間是斷開(kāi)的，這將導(dǎo)致一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。
設(shè)我們考慮某繞過(guò)導(dǎo)線的閉合路徑，如下圖所示中的C所標(biāo)識(shí)的圓形，以它為邊界的曲面可以任意選擇，圖中選擇了C本身圍住的圓平面 ，以及跨過(guò)電容器左極板的曲面 。
根據(jù)圓面 ，可知 但根據(jù)曲面 卻又有 但作為磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)路積分，它的值應(yīng)該是確定的！
怎么辦？
麥克斯韋相信，安培環(huán)路定理必須成立，現(xiàn)在出了問(wèn)題，那必然是因?yàn)橛幸徊糠蛛娏髦皼](méi)有被我們發(fā)現(xiàn)，但它的確存在！
那么，怎么把這部分電流找出來(lái)呢？
既然問(wèn)題出現(xiàn)在極板之間，那么就從極板之間入手。
麥克斯韋通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論充電還是放電，每時(shí)每刻，電容器極板之間存在一個(gè)與電流大小和方向都同步的物理量。它就是電位移矢量 的通量 的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，即 于是定義 稱之為位移電流。
如果認(rèn)為這部分就是之前沒(méi)被發(fā)現(xiàn)的那部分電流的話，那么完整的電流現(xiàn)在是 也就是說(shuō)，極板間電路雖然斷開(kāi)了，但電位移通量的導(dǎo)數(shù)和電流之和一起，作為一個(gè)整體 ，時(shí)刻保證了電流的連續(xù)性。
回到前面的矛盾，現(xiàn)在知道了，按照斯托克斯定理的要求，當(dāng)對(duì)閉合曲面計(jì)算電流密度的通量時(shí)，位移電流的密度也應(yīng)該考慮，即 故完整的安培環(huán)路定理是 因此，通過(guò)“發(fā)現(xiàn)”這個(gè)新的電流成分，安培環(huán)路定理的危機(jī)解決了！
之所以這里不用“引入”，而用“發(fā)現(xiàn)”，想強(qiáng)調(diào)的是，這種電流不是一種數(shù)學(xué)上的彌補(bǔ)，而是切實(shí)存在的東西，只不過(guò)之前沒(méi)發(fā)現(xiàn)而已。
為什么說(shuō)它是本來(lái)就存在的呢？因?yàn)樗鳛殡娏鳎c傳導(dǎo)電流一樣，等效地激發(fā)磁場(chǎng)，只不過(guò)沒(méi)有電荷的運(yùn)動(dòng)，不需要導(dǎo)線引導(dǎo)，也不能產(chǎn)生焦耳熱，因此一直被忽略了！
但它其實(shí)本身就存在，只不過(guò)低調(diào)點(diǎn)罷了，它一直就在那里默默的激發(fā)著磁場(chǎng)呢！
換句話說(shuō)，當(dāng)我們面對(duì)磁場(chǎng)時(shí)，原先對(duì)于電流的定義太狹隘了。電流的本質(zhì)不是電荷的運(yùn)動(dòng)，它應(yīng)該是一種能激發(fā)磁場(chǎng)的東西。
到此，電流的幾種存在的形式都介紹完了。它們都是客觀存在的，它們的共同之處是：所有的電流都能等效的激發(fā)磁場(chǎng)。
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)
不代表中科院物理所立場(chǎng)
原標(biāo)題：有不需要電荷的電流？電流到底是什么？
來(lái)源：大學(xué)物理學(xué)
編輯：Garrett
