电流

电流是净电荷通过某一指定表面（例如导线横截面）的速率。电流可由电子、离子或其他带电粒子携带，既可以存在于物质内部，也可以通过真空。电流是电磁学和电路理论中的核心物理量。通常规定电流方向为正电荷流动的方向，这与金属导体中电子的运动方向相反。(openstax.org)

定义与单位

通过某一表面的平均电流为

[ I_{\mathrm{avg}}=\frac{\Delta Q}{\Delta t}, ]

其中，(\Delta Q) 是在时间间隔 (\Delta t) 内通过该表面的净电荷量。瞬时电流是累计转移的电荷量对时间的导数：

[ I(t)=\frac{dQ}{dt}. ]

电流的正负取决于所选的参考方向。它衡量的是电荷的转移，而不是物体中储存的电荷量，也不是单个粒子的运动速率。(openstax.org)

在国际单位制（SI）中，电流是基本量，其单位为安培（A）。一安培等于每秒一库仑。国际单位制的定义将元电荷的数值精确规定为 (1.602176634\times10^{-19}) 库仑。因此，一安培的电流相当于每秒约有 (6.2415\times10^{18}) 个元电荷通过某一表面。(bipm.org)

载流子与导电

在金属电导体中，自由电子进行着快速的微观运动。如果没有外加电场驱动，这些运动不会产生持续的净电流。电场会在这种运动之上叠加一个很小的平均速度，称为漂移速度。由于电子带负电，其漂移方向与规定的电流方向相反。材料内部的散射限制了电子的平均漂移，使其不会无限加速。(openstax.org)

载流子的种类取决于介质。在电解质中，正离子和负离子都可以参与导电：带相反电荷的粒子沿相反方向运动时，产生的电流方向相同。普通导线中电子的漂移速度远低于建立电流的电扰动的传播速度。因此，电路中远处的元件作出响应，并不需要等到某个电子从电源移动到该元件。(openstax.org)

电流密度

通过某一选定表面的电流是标量，而电流密度 (\mathbf J) 描述的是局部电荷流动的大小和方向。其国际单位制单位为安培每平方米。通过有向曲面 (S) 的电流由曲面积分给出：

[ I=\int_S\mathbf J\cdot d\mathbf A. ]

点积取出垂直于曲面的分量。当电荷均匀流动且垂直通过面积为 (A) 的表面时，上式简化为 (I=JA)。对于单一类型的载流子，

[ \mathbf J=nq\mathbf v_d, ]

其中，(n) 为载流子数密度，(q) 为每个载流子所带的电荷量（含正负号），(\mathbf v_d) 为漂移速度。存在多种载流子时，各种载流子的贡献相加。(openstax.org)

电压、电阻与能量

电流与电压是不同的物理量。电压是电势之差，表示单位电荷转移的能量；电流则表示单位时间内转移的电荷量。电池通过内部过程维持电势差，而当磁通量发生变化时，电磁感应可以产生驱动电荷运动的电场。(openstax.org)

对于物理条件保持不变的欧姆元件，欧姆定律给出

[ V=IR, ]

其中，(R) 为电阻。这种正比关系并不是适用于所有材料或器件的普遍规律。在局部，各向同性的欧姆导电可用 (\mathbf J=\sigma\mathbf E) 描述，其中 (\sigma) 为电导率。(openstax.org)

采用相互一致的电压和电流参考方向时，元件吸收的瞬时功率为 (P=VI)。对于电阻器，由此可得 (P=I^2R=V^2/R)。电能量转化为热的过程称为焦耳热效应。在这种能量转换过程中，电荷并不会被消耗：电源提供能量，元件则将其转化为其他形式。(openstax.org)

直流电与交流电

直流电（DC）沿单一方向流动；其大小可以保持不变，也可以随时间变化，但方向不反转。交流电（AC）的方向则周期性反转。一种常见的理想化波形为

[ I(t)=I_{\mathrm{peak}}\sin(\omega t+\phi), ]

其中，(\omega) 为角频率，(\phi) 为相位。正弦电流在一个完整周期内的平均值为零，但仍会使电阻器发热，因为耗散功率取决于电流的平方。(openstax.org)

磁效应与位移电流

电流会产生磁场。这一联系包含在麦克斯韦方程组中，该方程组还描述了变化的电场如何对磁场产生贡献。(openstax.org)

麦克斯韦提出的位移电流不同于普通的传导电流：它表示变化的电场所产生的贡献，而不是电荷通过材料的输运。在充电的电容器中，传导电流流经连接导线，但电荷并不穿过极板之间的理想绝缘间隙。间隙中变化的电场提供了位移电流项，使磁场方程无论用于穿过导线的曲面，还是穿过间隙的曲面，都能保持一致。(openstax.org)