Cường độ dòng điện và hạt tải trôi trong dây

Dòng điện là dòng các hạt mang điện chuyển dời có hướng. Hạt mang điện (gọi là hạt tải điện) tuỳ môi trường:

Môi trường	Hạt tải điện
Kim loại	electron tự do
Dung dịch chất điện phân	ion dương và ion âm
Chất khí bị ion hoá	ion dương, ion âm và electron
Chất bán dẫn	electron và lỗ trống

Muốn có dòng điện kéo dài trong một vật dẫn cần hai điều kiện: có hạt tải điện tự do, và có hiệu điện thế đặt vào hai đầu vật dẫn (điện trường trong vật dẫn đẩy các hạt tải chuyển dời có hướng). Với mạch điện còn cần mạch kín: hở mạch thì dòng bằng $0$.

Electron trong kim loại luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn rất nhanh (cỡ $10^5\,\text{m/s}$) theo mọi hướng, nên không có dòng điện. Khi có điện trường, mỗi electron chồng thêm một chuyển động trôi rất chậm theo hướng ngược điện trường. Chỉ phần trôi này mới tạo ra dòng điện.

Chiều quy ước của dòng điện là chiều chuyển động của điện tích dương. Trong mạch kim loại, hạt tải là electron mang điện âm, nên electron trôi ngược chiều dòng điện. Ngoài nguồn điện, dòng điện đi từ cực dương sang cực âm.

Trong dung dịch điện phân, ion dương đi cùng chiều dòng điện và ion âm đi ngược chiều; cả hai đều góp phần vào dòng điện (hai phần cộng lại, không trừ nhau).

Cường độ dòng điện cho biết điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian:

$$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$

Đơn vị là ampe ($\text{A}$): $1\,\text{A}=1\,\text{C/s}$. Khi dòng không đổi, $I=\dfrac{q}{t}$ nên $q=It$. Trên đồ thị điện lượng $q$ theo thời gian $t$, cường độ dòng điện là độ dốc của đồ thị.

Điện lượng liên hệ với số hạt: $q=Ne$ với $e=1{,}6\cdot10^{-19}\,\text{C}$ là độ lớn điện tích electron, nên số electron qua tiết diện $N=\dfrac{q}{e}=\dfrac{It}{e}$. Với ion mang điện $\pm ze$ thì $q=Nze$.

Ampe kế đo cường độ dòng điện, mắc nối tiếp với đoạn mạch cần đo, điện trở rất nhỏ (lí tưởng bằng $0$) để không làm đổi dòng. Vôn kế đo hiệu điện thế giữa hai điểm, mắc song song với đoạn mạch cần đo, điện trở rất lớn (lí tưởng bằng vô cùng) để không rút dòng. Cực $+$ của dụng cụ nối về phía cực dương của nguồn. Trong bài này và các bài sau, dụng cụ đo là lí tưởng trừ khi đề nói khác.

Xét đoạn dây tiết diện $S$ có $n$ hạt tải tự do trong mỗi mét khối, mỗi hạt mang điện $q_0$ (với electron $q_0=e$) và trôi với tốc độ trung bình $v$ (tốc độ trôi). Trong thời gian $\Delta t$, mọi hạt tải nằm trong đoạn dây dài $v\,\Delta t$ phía trước tiết diện sẽ đi qua tiết diện. Thể tích đoạn đó là $S\,v\,\Delta t$, nên số hạt là $nSv\,\Delta t$ và điện lượng là $\Delta q=nSv\,\Delta t\cdot e$. Suy ra

$$I=nSev,\qquad v=\frac{I}{nSe}.$$

Với đồng, mỗi nguyên tử góp một electron tự do, $n\approx8{,}5\cdot10^{28}\,\text{m}^{-3}$. Cùng một dòng điện $I$ chạy trong dây, $v$ tỉ lệ nghịch với $S$: dây càng mảnh, electron trôi càng nhanh.

Số hạt tải có trong đoạn dây dài $\ell$ là $N=nS\ell$.

Nội dung	Công thức, quy ước
Dòng điện	chuyển dời có hướng của hạt tải; cần hiệu điện thế và mạch kín
Chiều quy ước	chiều điện tích dương; electron trôi ngược chiều
Cường độ dòng điện	$I=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}$, $1\,\text{A}=1\,\text{C/s}$
Số hạt	$N=\dfrac{q}{e}$; $1\,\text{mAh}=3{,}6\,\text{C}$
Dụng cụ đo	ampe kế nối tiếp; vôn kế song song
Tốc độ trôi	$I=nSev$, $v=\dfrac{I}{nSe}$, $v\sim10^{-4}\,\text{m/s}$