電流

電流
電流が文字iで表される単純な電気回路。電圧（V）、抵抗（R）、および電流（I）の関係はV = IRです。これはオームの法則として知られています。
一般的な記号	NS
SI単位	アンペア
他の量からの派生	${\ displaystyle I = {V \ over R}、I = {Q \ over t}}$
寸法	${\ displaystyle {\ mathsf {I}}}$

に関する記事
電磁気
電気 磁気 歴史 教科書
静電気 電荷 クーロンの法則 導体 電荷密度 誘電率 電気双極子モーメント 電界 電位 電束 /位置エネルギー 静電放電 ガウスの法則 誘導 インシュレータ 分極密度 静電気 摩擦電気
静磁気 アンペールの法則 ビオ・サバールの法則 磁性に関するガウスの法則 Magnetic field Magnetic flux Magnetic dipole moment Magnetic permeability Magnetic scalar potential Magnetization Magnetomotive force Magnetic vector potential Right-hand rule
電気力学 Lorentz force law Electromagnetic induction Faraday's law Lenz's law Displacement current Maxwell's equations Electromagnetic field Electromagnetic pulse Electromagnetic radiation Maxwell tensor Poynting vector Liénard–Wiechert potential Jefimenko's equations Eddy current London equations Mathematical descriptions of the electromagnetic field
電気ネットワーク 交流電流 キャパシタンス 直流 電流 電解 電流密度 ジュール加熱 起電力 インピーダンス インダクタンス オームの法則 並列回路 抵抗 共振空洞 直列回路 電圧 導波管
共変定式化 Electromagnetic tensor (stress–energy tensor) Four-current Electromagnetic four-potential
科学者 Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Singer Tesla Volta Weber Poisson
v NS e

電流は、のストリームである荷電粒子のような、電子又はイオンを通って移動する、電気導体またはスペース。これは、表面またはコントロールボリュームへの電荷の正味の流量として測定されます。^{[1]：2 [2]：622}移動する粒子は電荷キャリアと呼ばれ、導体によっては、いくつかの種類の粒子の1つになる場合があります。電気回路電荷キャリアはしばしば電子を移動するワイヤ。の半導体は、電子または正孔である可能性があります。 電解質電荷キャリアであるイオンでながら、プラズマ、イオン化ガス、それらはイオン及び電子です。^[3]

電流のSI単位はアンペア、つまりアンペアであり、これは1秒あたり1クーロンの速度で表面を横切る電荷の流れです。アンペア（記号：A）はSI基本単位です^[4]：15電流は電流計と呼ばれる装置を使用して測定されます。^[2]：788

電流は磁場を生成し、それはモーター、発電機、インダクター、および変圧器で使用されます。通常の導体において、それらが引き起こすジュール加熱作成し、光に白熱電球を。時変電流は電磁波を放出し、それは電気通信で情報を放送するために使用されます。

シンボル

電流の従来の記号はIです。これは、フランス語のフレーズintensitéducourant（電流強度）に由来します。^{[5] [6]}電流強度は、単に電流と呼ばれることがよくあります。^[7] Iシンボルによって使用されたアンドレ=マリ・アンペール処方する際に、電流の単位を命名され誰後、アンペールの力の法則（1820）。^[8] 表記法はフランスからイギリスに伝わり、そこで標準となったが、少なくとも1つのジャーナルは1896年までCからIに変更されなかった。^[9]

コンベンション

電子は、電荷キャリアの電気回路では、従来の電流とは反対方向に流れます。

回路図のバッテリーの記号。

導電性材料、電流を構成する移動荷電粒子が呼び出される電荷キャリア。ほとんどの電気回路でワイヤやその他の導体を構成する金属では、原子の正に帯電した原子核は固定位置に保持され、負に帯電した電子は電荷キャリアであり、金属内を自由に動き回ることができます。他の材料、特に半導体では、使用されるドーパントに応じて、電荷キャリアは正または負になり得る。電解質で起こるように、正と負の電荷キャリアが同時に存在することさえあります電気化学セル。

正電荷の流れは、反対方向への負電荷の等しい流れと同じ電流を与え、回路内で同じ効果をもたらします。電流は正または負の電荷、あるいはその両方の流れである可能性があるため、電荷キャリアのタイプに依存しない電流の方向には規則が必要です。方向従来の電流は任意の正の電荷が流れる方向として定義されます。したがって、電子（金属ワイヤや他の多くの電子回路コンポーネントの電荷キャリア）などの負に帯電したキャリアは、電気回路の従来の電流の流れとは逆の方向に流れます。

基準方向

ワイヤまたは回路要素の電流は、2つの方向のいずれかに流れる可能性があります。変数を定義するとき ${\ displaystyle I}$電流を表すには、通常、回路 図の矢印で正の電流を表す方向を指定する必要があります。^[a]：13 これは電流の基準方向と呼ばれます${\ displaystyle I}$。電気回路を分析する場合、特定の回路要素を流れる実際の電流の方向は、通常、分析が完了するまで不明です。その結果、電流の基準方向はしばしば任意に割り当てられます。回路が解かれるとき、電流の負の値は、その回路要素を流れる電流の実際の方向が、選択された基準方向の方向と反対であることを意味します。^[b]：29

オームの法則

オームの法則によれば、2点間の導体を流れる電流は、2点間の電位差に正比例します。比例定数を導入し、抵抗、^[11]いずれかがこの関係を記述する通常の数式に到着：^[12]

${\ displaystyle I = {\ frac {V} {R}}}$

ここで、Iはアンペア単位の導体を流れる電流、Vはボルト単位の導体の両端で測定された電位差、Rはオーム単位の導体の抵抗です。より具体的には、オームの法則は、この関係のRは、電流に関係なく一定であると述べています。^[13]

交流および直流

交流電流（AC）システム、移動電荷が定期的に方向を反転させます。 ACは、企業や住宅に最も一般的に供給される電力の形態です。AC電源回路の通常の波形は正弦波ですが、特定のアプリケーションでは三角波や方形波などの代替波形を使用します。電線で運ばれる音声信号や無線信号も交流の例です。これらのアプリケーションの重要な目標は、AC信号にエンコード（または変調）された情報を回復することです。

対照的に、直流（DC）は、電荷が一方向にのみ移動するシステムを指します（一方向の流れと呼ばれることもあります）。直流は、バッテリー、熱電対、太陽電池、ダイナモタイプの整流子タイプの電気機械などのソースによって生成されます。交流は、整流器を使用して直流に変換することもできます。直流は、ワイヤなどの導体に流れる可能性がありますが、半導体、絶縁体、または電子ビームやイオンビームのように真空を流れることもあります。。直流の古い名前はガルバニック電流でした。^[14]

発生

自然に観測できる電流の例には、雷、静電気放電、および極オーロラの発生源である太陽風が含まれます。

人為的な電流の発生には、長距離にわたって電気エネルギーを供給する架空送電線や電気および電子機器内のより小さなワイヤなどの金属ワイヤ内の伝導電子の流れが含まれます。渦電流は、変化する磁場にさらされた導体で発生する電流です。同様に、電磁波にさらされた導体の電流は、特に表面で発生します。発振電流が内正しい電圧で流れるときに無線アンテナ、電波が生成されます。

エレクトロニクス、電流の他の形態が通る電子の流れ含む抵抗又は真空を介して真空管、内部イオンの流れ電池、及びの流れ穴金属及び内半導体を。

電流の生物学的例は、ニューロンと神経内のイオンの流れであり、思考と感覚の両方の知覚に関与しています。

電流測定

電流は電流計を使用して測定できます。

電流は検流計で直接測定できますが、この方法では電気回路を遮断する必要があり、不便な場合があります。

電流に関連する磁場を検出することにより、回路を遮断することなく電流を測定することもできます。デバイスは、回路レベルで、さまざまな手法を使用して電流を測定します。

• シャント抵抗^[15]
• ホール効果電流センサートランスデューサー
• 変圧器（ただし、DCは測定できません）
• 磁気抵抗フィールドセンサー^[16]
• ロゴスキーコイル
• 電流クランプ

抵抗加熱

ジュール熱は、オーム加熱および抵抗加熱としても知られ、電力損失のプロセスです^[17]：36電流が導体を通過すると、導体の内部エネルギーが増加します^[18]：846熱力学的仕事を変換します熱。^{[18]：846、fn。 5}現象は最初によって研究されたジェームズ・プレスコット・ジュール1841ジュール固定ワイヤの長さに浸漬質量の水を測定します30分間のワイヤーを流れる既知の電流による温度上昇。電流とワイヤーの長さを変えることにより、彼は、発生する熱が電流の二乗にワイヤーの電気抵抗を掛けたものに比例すると推定しました。

${\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}$

この関係はジュールの法則として知られています。^[17]：36エネルギーのSI単位は、その後ジュールと名付けられ、記号Jが付けられました。^[4]：20一般的に知られているSI単位の電力、ワット（記号：W）は、1秒あたり1ジュールに相当します。^[4]：20

電磁気

電磁石

磁場はソレノイドの電流によって生成されます。

電磁石では、電流が流れるとワイヤーのコイルが磁石のように動作します。電流がオフになると、コイルはすぐに磁気を失います。電流は磁場を生成します。磁場は、電流が流れている限り持続するワイヤーを囲む円形の磁力線のパターンとして視覚化できます。

電磁誘導

交流電流がソレノイドを流れ、変化する磁場を生成します。この電界により、電磁誘導によってワイヤループに電流が流れます。

磁場を使用して電流を流すこともできます。変化する磁場が導体に加えられると、起電力（EMF）が誘導され、^[18]：1004は、適切な経路があるときに電流を開始します。

電波

適切な形状の導体に無線周波数で電流を流すと、電波が発生します。これらは光速で移動し、離れた導体に電流を発生させる可能性があります。

さまざまなメディアの伝導メカニズム

金属固体では、電荷は電子によって低い電位から高い電位へと流れます。他の媒体では、帯電した物体（たとえばイオン）の任意の流れが電流を構成する可能性があります。電荷キャリアのタイプに依存しない電流の定義を提供するために、従来の電流は、正の電荷の流れと同じ方向に移動するものとして定義されます。したがって、電荷キャリア（電子）が負である金属では、従来の電流は全体的な電子の動きと反対の方向にあります。電荷キャリアが正である導体では、従来の電流は電荷キャリアと同じ方向です。

真空、イオンまたは電子のビームを形成してもよいです。他の導電性材料では、電流は正と負の両方の荷電粒子が同時に流れることによるものです。さらに他では、電流は完全に正の電荷の流れによるものです。たとえば、電解質の電流は、正および負に帯電したイオンの流れです。一般的な鉛蓄電池の電気化学セルでは、電流は一方向に流れる正のヒドロニウムイオンと他の方向に流れる負の硫酸イオンで構成されます。火花またはプラズマの電流電子の流れだけでなく、正と負のイオンです。氷や特定の固体電解質では、電流は完全に流れるイオンで構成されています。

金属

金属、各原子外側の電子の一部は、それらがであるように個々の分子に結合していない分子固体それらは絶縁材料であるように、または全帯域ではなく、内部に自由に移動する金属格子。これらの伝導電子は、電流を運ぶ電荷キャリアとして機能することができます。これらの自由電子の多くが存在するため、金属は特に導電性があり、通常、格子内の原子ごとに1つです。外部電界が印加されていない場合、これらの電子は熱エネルギーのためにランダムに動きますが、平均して、金属内の正味電流はゼロです。室温では、これらのランダムな動きの平均速度は10です。毎秒⁶メートル。^[19]金属線が通過する表面が与えられると、電子は表面を横切って同じ速度で両方向に移動します。ジョージ・ガモフは自分で書いた人気の科学の本、一、二、三...インフィニティ （1947）、「金属物質は、それらの原子の外殻がかなり緩く結合され、しばしばそれらの電子の1つを解放するという事実によって他のすべての材料とは異なります。したがって、金属の内部は大きなもので満たされています金属線の両端に電気力がかかると、これらの自由電子が力の方向に突入し、いわゆる電流を形成します。 「」

バッテリーなどのDC 電圧源の2つの端子間に金属線が接続されている場合、電源は導体間に電界をかけます。接触した瞬間、導体の自由電子はこの電界の影響下で正の端子に向かってドリフトするように強制されます。したがって、自由電子は、一般的な固体導体の電荷キャリアです。

表面を通る電荷の安定した流れの場合、電流I（アンペア）は次の式で計算できます。

${\ displaystyle I = {Q \ over t} \ ,,}$

ここで、Qは、時間 tにわたって表面を介して移動する電荷です。Qとtがそれぞれクーロンと秒で測定される場合、Iはアンペアです。

より一般的には、電流は、電荷が特定の表面を流れる速度として次のように表すことができます。

${\ displaystyle I = {\ frac {\ mathrm {d} Q} {\ mathrm {d} t}} \、。}$

電解質

静電界中のプロトン伝導体。

電解質の電流は、荷電粒子（イオン）の流れです。電界が溶液横切って配置されている場合、例えば、のNa ⁺とのCl ^{- （}および条件が右である）塩化物イオンが正極（陽極）に向かって移動しながら、ナトリウムイオンは、負電極（陰極）に向かって移動します。反応は両方の電極表面で起こり、各イオンを中和します。

水氷およびプロトン伝導体と呼ばれる特定の固体電解質には、可動性のある正の水素イオン（「プロトン」）が含まれています。これらの材料では、電流は、金属内の移動する電子とは対照的に、移動する陽子で構成されています。

特定の電解質混合物では、鮮やかな色のイオンが移動電荷です。色の進行が遅いと、電流が表示されます。^[20]

ガスとプラズマ

絶縁破壊電界より下の空気やその他の通常のガスでは、電気伝導の主な原因は、放射性ガス、紫外線、または宇宙線によって生成される比較的少数の可動イオンを介したものです。電気伝導率が低いため、ガスは誘電体または絶縁体です。ただし、印加された電界が破壊値に近づくと、自由電子は電界によって十分に加速され、アバランシェ降伏と呼ばれるプロセスで中性ガス原子または分子を衝突およびイオン化することによって追加の自由電子を生成します。分解プロセスはプラズマを形成しますそれはそれを導電体にするのに十分な可動電子と陽イオンを含んでいます。その過程で、火花、アーク、雷などの発光伝導経路を形成します。

プラズマは、ガス中の電子の一部が分子または原子から剥ぎ取られるか「イオン化」される物質の状態です。プラズマは、高温によって、または上記のように高電場または交流磁場の印加によって形成することができる。質量が小さいため、プラズマ内の電子は、より重い陽イオンよりも電場に応答してより速く加速し、したがって電流の大部分を運びます。遊離イオンは再結合して新しい化合物を生成します（たとえば、大気中の酸素を単一の酸素に分解し[O ₂ →2O]、次に再結合してオゾンを生成します[O ₃ ]）。^[21]

真空

「完全真空」には荷電粒子が含まれていないため、通常は完全な絶縁体として機能します。ただし、金属電極表面は、電界電子放出または熱電子放出のいずれかを介して自由電子またはイオンを注入することにより、真空の領域を導電性にすることができます。熱エネルギーは金属の超える場合、熱電子放出が発生し、仕事関数をしながら、電界電子放出が金属の表面における電界が原因に十分に高い場合に発生するトンネル真空中に金属の自由電子の放出をもたらします。電子雲を生成するために、外部から加熱される電極がよく使用されます真空管のフィラメントまたは間接的に加熱された陰極のように。冷たい電極は、小さな白熱領域（カソードスポットまたはアノードスポットと呼ばれる）が形成されると、熱電子放出を介して自発的に電子雲を生成することもできます。これらは、局所的な高電流によって作成される電極表面の白熱領域です。これらの領域は、電界電子放出によって開始される可能性がありますが、真空アークが形成されると、局所的な熱電子放出によって維持されます。これらの小さな電子放出領域は、高電界にさらされた金属表面上に、爆発的にさえも非常に急速に形成される可能性があります。真空管そしてsprytronsは真空伝導性に基づいて電子スイッチング及び増幅装置の一部です。

超電導

超伝導は、特性臨界温度以下に冷却されたときに特定の材料で発生する電気抵抗と磁場の放出が正確にゼロになる現象です。1911年4月8日にライデンでHeikeKamerlinghOnnesによって発見されました。同様強磁性と原子スペクトル線、超伝導は量子力学的な現象。それは、磁力線の完全な放出であるマイスナー効果によって特徴付けられます超伝導状態に移行する際の超伝導体の内部から。マイスナー効果の発生は、超伝導は、単にの理想化として理解することができないことを示す完全伝導における古典物理学。

半導体

で半導体は正「の流れに起因するような電流を考えることがしばしば有用であるホール」（半導体結晶が価電子を欠落されている場所である携帯正電荷キャリア）。これは、p型半導体の場合です。半導体は、導体と絶縁体の中間の大きさの電気伝導率を持っています。これは約10の範囲の導電率を意味^-2 10へ⁴ジーメンスセンチメートル当たり（S⋅cm ^-1）。

古典的な結晶性半導体では、電子は特定の帯域（つまりエネルギーレベルの範囲）内でのみエネルギーを持つことができます。エネルギー的に、これらのバンドは、基底状態のエネルギー、電子が材料の原子核にしっかりと結合している状態、および自由電子エネルギーの間に位置します。自由電子エネルギーは、電子が完全に脱出するのに必要なエネルギーを表します。素材。エネルギーバンドはそれぞれ、電子の多くの離散量子状態に対応し、価電子帯と呼ばれる特定のバンドまで、エネルギーの低い（原子核に近い）状態のほとんどが占有されます。半導体と絶縁体は金属とは区別されますなぜなら、与えられた金属の価電子帯は通常の動作条件下ではほとんど電子で満たされているのに対し、伝導帯、つまり価電子帯のすぐ上のバンドでは、電子がほとんど（半導体）またはほとんどない（絶縁体）利用できるからです。

価電子帯から伝導帯への半導体内の電子の励起のしやすさは、バンド間のバンドギャップに依存します。このエネルギーバンドギャップのサイズは、半導体と絶縁体の間の任意の分割線（約4 eV）として機能します。

共有結合では、電子は隣接する結合にホッピングして移動します。パウリの排他原理は電子がその債券の高い反結合状態に解除されている必要があります。非局在化状態、たとえば1次元、つまりナノワイヤの場合、すべてのエネルギーに対して、電子が一方向に流れる状態と、電子が他の方向に流れる状態があります。正味の電流が流れるためには、一方の方向の方がもう一方の方向よりも多くの状態を占有する必要があります。これが発生するには、半導体の場合、次に高い状態がバンドギャップの上にあるため、エネルギーが必要です。多くの場合、これは次のように述べられています。フルバンドは電気伝導率に寄与しません。ただし、半導体の温度が上に上昇すると絶対零度の場合、半導体には、格子振動と伝導帯への電子の励起に費やすエネルギーが多くなります。伝導帯の電流を運ぶ電子は自由電子として知られていますが、文脈上明らかな場合は単に電子と呼ばれることがよくあります。

電流密度とオームの法則

電流密度は、電荷が選択した単位面積を通過する速度です。^[22]：31これは、大きさが単位断面積あたりの電流であるベクトルとして定義されます。^[2]：749参照方向で説明したように、方向は任意です。従来、移動電荷が正の場合、電流密度は電荷の速度と同じ符号を持ちます。負の電荷の場合、電流密度の符号は電荷の速度と反対です。^{[2] ：749}においてSI単位、電流密度（記号：J）を平方メートル当たりのアンペアのSI基本単位で表されます。^[4]：22

金属などの線形材料では、低周波数では、導体表面全体の電流密度は均一です。このような条件では、オームの法則は、電流がその金属（理想的な）抵抗器（または他のオームデバイス）の両端（両端）間の電位差に正比例することを示しています。

${\ displaystyle I = {V \ over R} \ ,,}$

どこ ${\ displaystyle I}$ アンペアで測定された電流です。 ${\ displaystyle V}$は、ボルトで測定された電位差です。と${\ displaystyle R}$は抵抗であり、オームで測定されます。以下のための電流を交互に、特に高い周波数で、表皮効果は、このように明らか抵抗を増加させる、表面近くのより高い密度で、導体の断面にわたって不均一広がりに電流を生じさせます。

ドリフト速度

導体内の可動荷電粒子は、ガスの粒子のように、常にランダムな方向に移動します。（より正確には、フェルミガス。）正味の電荷の流れを作成するには、粒子も平均ドリフト率とともに移動する必要があります。電子はほとんどの金属の電荷担体であり、原子から原子へと跳ね返る不規則な経路をたどりますが、一般に電場の反対方向にドリフトします。それらがドリフトする速度は、次の式から計算できます。

${\ displaystyle I = nAvQ \ ,,}$

どこ

${\ displaystyle I}$ は電流です

${\ displaystyle n}$ は、単位体積あたりの荷電粒子の数（または電荷キャリア密度）です。

${\ displaystyle A}$ は導体の断面積です

${\ displaystyle v}$はドリフト速度であり、

${\ displaystyle Q}$ 各粒子の電荷です。

通常、固体の電荷はゆっくりと流れます。たとえば、5Aの電流を流す断面積0.5mm ^2の銅線では、電子のドリフト速度は1秒あたり1ミリメートルのオーダーです。別の例を挙げると、ブラウン管内の真空に近い状態では、電子は光速の約10分の1でほぼ直線で移動します。

加速する電荷、したがって変化する電流は、導体の表面の外側に非常に高速で伝播する電磁波を発生させます。この速度は、マクスウェルの方程式から推測できるように、通常、光速のかなりの部分であり、したがって、電子のドリフト速度よりも何倍も速いです。たとえば、AC電力線では、電磁エネルギーの波がワイヤ間のスペースを伝播し、ワイヤ内の電子がわずかな距離だけ前後に移動する場合でも、ソースから離れた負荷に移動します。

電磁波の速度と自由空間の光の速度の比は速度係数と呼ばれ、導体とその周囲の絶縁材料の電磁特性、およびそれらの形状とサイズに依存します。

これらの3つの速度の大きさ（性質ではない）は、ガスに関連する3つの類似した速度との類似性によって説明できます。（水流のアナロジーも参照してください。）

• 電荷キャリアの低いドリフト速度は、空気の動きに類似しています。言い換えれば、風。
• 電磁波の高速性は、ガス中の音速とほぼ同じです（音波は対流などの大規模な運動よりもはるかに速く空気中を移動します）
• 電荷のランダムな動きは、熱、つまりランダムに振動するガス粒子の熱速度に類似しています。

も参照してください

ノート

参考文献