電流

電線や回路素子内の電流は、2つの方向のいずれかに流れる可能性があります。変数を定義する際には、${\displaystyle I}$電流を表すには、正の電流を表す方向を指定する必要があり、通常は回路図上の矢印で示されます。^{[ 12 ] [ 13 ]： 13}これは電流の基準方向 と呼ばれます。${\displaystyle I}$電気回路を解析する際、特定の回路要素を流れる電流の実際の方向は、解析が完了するまで通常は不明です。そのため、電流の基準方向はしばしば任意に設定されます。回路が解かれたとき、電流の値が負であれば、その回路要素を流れる電流の実際の方向は、選択された基準方向とは逆方向であることを意味します。^{[ a ]： 29}

電磁石では、コイルに電流が流れると、コイルは磁石のように振る舞います。電流が切れると、コイルはすぐに磁性を失います。電流は磁場を発生させます。磁場は、電流が流れている間持続する、導線を取り囲む円形の磁力線のパターンとして視覚化できます。

磁場は電流を作るためにも使用できます。変化する磁場が導体に印加されると、起電力（EMF）が誘導され、^{[ 21 ] : 1004}適切な経路があれば電流が始まります。

適切な形状の導体に無線周波数の電流が流れると、電波が発生する。電波は光速で伝播し、遠く離れた導体に電流を流すことがある。

金属では、各原子の最外殻電子の一部は、分子固体のように個々の分子に束縛されておらず、絶縁材料のように完全なバンドにも束縛されておらず、金属格子内を自由に移動できます。これらの伝導電子は電荷キャリアとして機能し、電場が存在すると導体を電流として流れることができます。金属は、これらの自由電子が多数存在するため、特に導電性があります。外部電場が印加されていない場合、これらの電子は熱エネルギーによってランダムに動き回りますが、平均的には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毎秒10 ^{6メートルです。 [ 22 ]}金属線が通過する表面がある場合、電子は表面を横切って両方向に同じ速度で移動します。ジョージ・ガモフは、著書『1、2、3…無限』 （1947年）の中で、「金属物質は、原子の外殻が比較的緩く結合しており、しばしば電子を自由に放出するという点で、他のすべての物質と異なっている。そのため、金属の内部は、まるで行き場を失った人々の群れのように、目的もなく動き回る多数の自由電子で満たされている。金属線の両端に電気力が加えられると、これらの自由電子は力の方向に一斉に移動し、いわゆる電流を形成する。」と述べている。

電池などの直流電源の2つの端子間に金属線を接続すると、電源は導体に電界を発生させます。接触した瞬間、導体の自由電子はこの電界の影響を受けて正極に向かって移動します。したがって、自由電子は一般的な固体導体における電荷キャリアとなります。

表面を通過する電荷の定常的な流れの場合、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の間に表面を通過する電荷量です。Qとtがそれぞれクーロンと秒で測定される場合、Iはアンペアで表されます。

より一般的に言えば、電流は、特定の表面を通過する電荷の流れの速度として次のように表すことができます。

$${\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.}$$

電解質中の電流は、電荷を帯びた粒子（イオン）の流れです。例えば、Na ⁺とCl−の溶液に電場をかけると（条件が整えば^）、ナトリウムイオンは負極（陰極）に向かって移動し、塩化物イオンは正極（陽極）に向かって移動します。両方の電極表面で反応が起こり、それぞれのイオンが中和されます。

水氷やプロトン伝導体と呼ばれる特定の固体電解質には、移動可能な正の水素イオン（「プロトン」）が含まれている。これらの物質では、電流は金属における電子の移動とは異なり、移動するプロトンによって構成される。

特定の電解質混合物では、鮮やかな色のイオンが移動する電荷です。色のゆっくりとした変化によって電流が見えるようになります。^{[ 23 ]}

空気やその他の一般的な気体では、絶縁破壊電界以下では、電気伝導の主な源は、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移動イオンです。電気伝導率が低いため、気体は誘電体または絶縁体です。しかし、印加電界が絶縁破壊値に近づくと、自由電子は電界によって十分に加速され、中性ガス原子または分子と衝突してイオン化することで、さらに多くの自由電子を生成します。この過程はアバランシェ放電と呼ばれます。絶縁破壊過程によって、十分な数の移動電子と正イオンを含むプラズマが形成され、電気伝導体となります。この過程で、火花、アーク放電、雷などの発光する導電経路が形成されます。

プラズマとは、気体中の電子の一部が分子や原子から剥ぎ取られたり「イオン化」されたりした物質の状態です。プラズマは、高温、または前述のように高電場や交流磁場を印加することによって形成されます。プラズマ中の電子は質量が小さいため、より重い正イオンよりも電場に反応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。自由になったイオンは再結合して新しい化学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 [O ₂ → 2O] に分解し、それが再結合してオゾン[O ₃ ] を生成します）。^{[ 24 ]}

「完全真空」には荷電粒子が存在しないため、通常は完全絶縁体として振る舞います。しかし、金属電極表面は、電界電子放出または熱電子放出によって自由電子またはイオンを注入することで、真空の領域を導電性にすることができます。熱電子放出は、熱エネルギーが金属の仕事関数を超えたときに発生し、電界電子放出は、金属表面の電界がトンネル効果を引き起こすのに十分な高さになったときに発生し、その結果、自由電子が金属から真空中に放出されます。外部加熱電極は、真空管のフィラメントや間接加熱カソードのように、電子雲を生成するためによく使用されます。冷たい電極も、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、熱電子放出によって自発的に電子雲を生成することがあります。これらは、局所的な高電流によって生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。こうした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、非常に速やかに、場合によっては爆発的に形成されることがある。真空管やクリトロンは、真空伝導性を利用した電子スイッチングおよび増幅装置の一例である。

超伝導とは、特定の物質を特徴的な臨界温度以下に冷却した際に生じる、電気抵抗が完全にゼロになり、磁場が排除される現象である。これは、1911年4月8日にライデンでハイケ・カメルリング・オネスによって発見された。強磁性や原子スペクトル線と同様に、超伝導は量子力学的現象である。超伝導は、超伝導状態に移行する際に超伝導体内部から磁力線が完全に排除されるマイスナー効果によって特徴づけられる。マイスナー効果の発生は、超伝導が古典物理学における完全伝導の理想化として単純に理解できるものではないことを示している。 

半導体では、電流は正の「正孔」（半導体結晶に価電子が欠けている場所に存在する移動可能な正電荷キャリア）の流れによるものと考えると便利な場合があります。これはp型半導体の場合に当てはまります。半導体の電気伝導率は、導体と絶縁体の中間の大きさです。これは、おおよそ^10⁻² ～10⁴^{ジーメンス}/センチメートル（S⋅cm⁻¹ ^）の範囲の伝導率を意味します。

古典的な結晶性半導体では、電子は特定のバンド（すなわち、エネルギー準位の範囲）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、電子が物質の原子核に強く束縛されている状態である基底状態のエネルギーと、電子が物質から完全に脱出するために必要なエネルギーである自由電子エネルギーの間に位置します。各エネルギーバンドは、電子の多くの離散的な量子状態に対応しており、価電子帯と呼ばれる特定のバンドまで、エネルギーの低い状態（原子核に近い状態）のほとんどが占有されています。半導体と絶縁体は、通常の動作条件下では、任意の金属の価電子帯がほぼ電子で満たされているのに対し、価電子帯のすぐ上のバンドである伝導帯には、ごくわずかな電子（半導体）またはほとんどない電子（絶縁体）しか存在しないという点で、金属と区別されます。

半導体において、価電子帯から伝導帯へ電子を励起させる容易さは、バンド間のバンドギャップに依存する。このエネルギーバンドギャップの大きさは、半導体と絶縁体を区別する目安（およそ4 eV ）として用いられる。

共有結合では、電子は隣接する結合に飛び移って移動します。パウリの排他原理によれば、電子はその結合のより高い反結合性状態に持ち上げられなければなりません。非局在化状態、例えば一次元（ナノワイヤなど）では、あらゆるエネルギーに対して、電子が一方向に流れる状態と、電子が反対方向に流れる状態が存在します。正味の電流が流れるためには、一方の方向の状態が他方の方向の状態よりも多く占有されている必要があります。半導体では、次のより高い状態がバンドギャップより上にあるため、これにはエネルギーが必要です。これはしばしば、「完全なバンドは電気伝導に寄与しない」と表現されます。しかし、半導体の温度が絶対零度を超えると、半導体には格子振動や伝導帯への電子の励起に費やされるエネルギーが増えます。伝導帯で電流を運ぶ電子は自由電子として知られていますが、文脈上明確な場合は単に電子と呼ばれることもあります。 

導体内の移動可能な荷電粒子は、気体の粒子のように、常にランダムな方向に移動しています。（より正確には、フェルミ気体です。）正味の電荷の流れを生み出すには、粒子が平均ドリフト速度で一緒に移動する必要があります。電子はほとんどの金属における電荷キャリアであり、原子から原子へと跳ね返りながら不規則な経路をたどりますが、一般的には電場とは逆方向にドリフトします。そのドリフト速度は、次の式から計算できます。

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

どこ

• ${\displaystyle I}$電流は
• ${\displaystyle n}$単位体積あたりの荷電粒子数（または電荷キャリア密度）
• ${\displaystyle A}$は導体の断面積である。
• ${\displaystyle v}$はドリフト速度であり、
• ${\displaystyle Q}$は各粒子の電荷です。

一般的に、固体中の電荷はゆっくりと流れます。例えば、断面積0.5 mm²の銅線^に5 Aの電流が流れている場合、電子のドリフト速度は毎秒1ミリメートル程度です。別の例を挙げると、陰極線管内部のほぼ真空状態では、電子は光速の約10分の1の速度でほぼ直線的に移動します。  

加速する電荷、ひいては変化する電流は、導体の表面外を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、マクスウェル方程式から推測されるように、通常は光速のかなりの割合を占め、電子のドリフト速度よりもはるかに高速です。例えば、交流送電線では、電線内の電子はごくわずかな距離を往復するだけであるにもかかわらず、電磁エネルギーの波は電線間の空間を伝播し、電源から遠く離れた負荷へと伝わります。

周囲の電磁波の速度と自由空間における光速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、形状、およびサイズに依存します。

これら3つの速度の大きさ（性質ではなく）は、気体に関連する3つの類似した速度との類推によって説明できる（水力学的類推も参照）。

• 電荷キャリアの低いドリフト速度は、空気の動き、つまり風に似ている。
• 電磁波の高速性は、気体中の音速とほぼ同等である（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伝わる）。
• 電荷のランダムな運動は、熱、すなわちランダムに振動する気体粒子の熱速度に類似している。