電流是電荷流動速率:在 HSC 物理中使用 I = q/t
了解電流如何衡量電荷流動的速率、如何使用 I = q/t 計算穩定電流,以及如何避免常見的計算錯誤。
一條導線在 3.0 s 內有 12 C 的電荷通過某一點。另一條導線在 5.0 s 內有 15 C 的電荷通過某一點。哪一條導線的電流較大?
你可能會直覺地選第二條導線,因為 15 C 的電荷量較多。但電流並不是告訴你有多少電荷通過,而是告訴你電荷通過得有多快。把時間考慮進去後,實際上第一條導線的電流較大。
這正是 \(I = q/t\) 所要表達的核心概念。
01電流衡量的是速率,而不是總量
想像導線中有一個固定的點。我們要計算有多少電荷通過這個點。

假設有 20 C 的電荷通過這個點。
單憑這項資訊,還不足以判斷電流大小。這 20 C 是在 1 秒、10 秒,還是一小時內通過的?
現在假設 20 C 的電荷在 4 秒內通過。我們可以說,平均每秒有 5 C 的電荷通過。
這個電荷流動的速率,就是電流。
對於穩定電流,
\[
I = \frac{q}{t}
\]
其中:
- \(I\) 是電流,單位為安培(A)
- \(q\) 是通過某一點的電荷量,單位為庫侖(C)
- \(t\) 是時間間隔,單位為秒(s)
因此:
\[
1\text{ A} = 1\text{ C s}^{-1}
\]
1 A 的電流表示每秒有 1 C 的電荷通過某一點。
在繼續之前,先預測一下:如果通過某一點的電荷量變成兩倍,而所用時間也變成兩倍,電流會怎樣?
電流維持不變。\(I = q/t\) 中的分子和分母都變成兩倍,因此它們的比值不變。
例如,
\[
\frac{4\text{ C}}{2\text{ s}} = 2\text{ A}
\]
以及
\[
\frac{8\text{ C}}{4\text{ s}} = 2\text{ A}
\]
第二種情況有更多電荷流過,但同時也有按比例增加的時間讓這些電荷通過。
02「穩定電荷流動」是甚麼意思
當電流穩定時,方程式 \(I = q/t\) 特別簡單。
穩定電流是指電荷流動的速率不隨時間改變。如果電流是 3 A,那麼每秒就有 3 C 的電荷通過某一點:
- 1 s 後,已有 3 C 通過
- 2 s 後,已有 6 C 通過
- 5 s 後,已有 15 C 通過
隨時間累積通過的電荷量符合
\[
q = It
\]
這只是同一個方程式重新整理後的形式。
對於穩定電流,如果繪製電荷 \(q\) 對時間 \(t\) 的圖像,會得到一條直線。它的斜率就是電流:
\[
I = \frac{\Delta q}{\Delta t}
\]
電荷-時間圖像越陡,表示電荷通過得越快,因此電流越大。
這個簡單的圖像並不完全適用於所有情況。在真實電路中,電流可以隨時間改變。在這種情況下,以總電荷量除以總時間,得到的是該時間區間內的平均電流,未必等於每一瞬間的電流。在本指南中,我們主要處理穩定電流;在穩定電流的情況下,這兩個概念會一致。
03一種理解電流的實用方式
想像學生正穿過課室門口。通過門口的學生人數,就像電荷量 \(q\)。你觀察門口的時間就是 \(t\)。每秒通過的人數則像電流 \(I\)。
如果 30 名學生在 10 s 內離開,流動速率就是每秒 3 名學生。如果另一個門口有 20 名學生在 4 s 內離開,那麼第二個門口的流動速率較大,儘管通過的學生總數較少。
這個類比有其限制。電荷並不真的像學生排隊一樣移動,而且在金屬中,可移動的載流子是分布在整個導體中的電子。如果你需要複習金屬中實際移動的是甚麼,可以參閱金屬中的電流:載流子與漂移。
門口這個類比主要有一個用途:電流取決於單位時間內通過的電荷量。
04例題:由電荷量和時間求電流
在 6.0 s 內,有 24 C 的電荷以穩定流動方式通過導線中的某一點。計算電流。
步驟 1
電荷量為 \(q = 24\text{ C}\),時間為 \(t = 6.0\text{ s}\)。
我們需要求電流 \(I\)。
步驟 2
\[
I = \frac{q}{t}
\]
步驟 3
\[
I = \frac{24\text{ C}}{6.0\text{ s}} = 4.0\text{ C s}^{-1}
\]
由於 \(1\text{ C s}^{-1} = 1\text{ A}\),
\[
I = 4.0\text{ A}
\]
步驟 4
4.0 A 的電流表示每秒有 4.0 C 的電荷通過該點。
05重新整理 \(I = q/t\)
如果 \(I\)、\(q\) 和 \(t\) 中任意兩個量已知,你應該能求出第三個量。
由
\[
I = \frac{q}{t}
\]
開始,兩邊同乘 \(t\):
\[
q = It
\]
如果未知量是時間:
\[
t = \frac{q}{I}
\]
下面這個簡明的判斷表很有用:
| 你要求的是 | 使用 |
|---|---|
| 電流 | \(I = \frac{q}{t}\) |
| 電荷量 | \(q = It\) |
| 時間 | \(t = \frac{q}{I}\) |
不要把它們當成三條彼此無關的公式來背。它們全都代表同一個關係:電流衡量的是電荷轉移得有多快。
06留意時間單位
在 \(I = q/t\) 中,時間的 SI 單位是秒。
因此,如果題目給出 2.5 分鐘,代入之前要先換算:
\[
2.5\text{ min} = 2.5 \times 60 = 150\text{ s}
\]
這裡很容易因漏掉 60 倍的換算而出錯。
同樣地:
\[
1\text{ ms} = 1\times10^{-3}\text{ s}
\]
以及
\[
1\,\mu\text{s} = 1\times10^{-6}\text{ s}
\]
電流方程式本身並沒有改變,改變的只是單位換算。
07例題:由電流求電子數目
一股 0.80 A 的穩定電流流過金屬導線 2.5 分鐘。計算在這段時間內通過導線某一點的電子數目。使用電子電荷量的大小 \(e = 1.60\times10^{-19}\text{ C}\)。
這道題多了一個步驟。先使用 \(q = It\) 求總電荷量,再把總電荷量與電子數目連繫起來。
步驟 1
\[
t = 2.5\times60 = 150\text{ s}
\]
步驟 2
使用
\[
q = It
\]
可得
\[
q = (0.80\text{ A})(150\text{ s}) = 120\text{ C}
\]
記住,安培等於庫侖每秒,因此秒的單位會正確地約去。
步驟 3
如果有 \(N\) 個電子通過該點,總電荷量的大小為
\[
q = Ne
\]
其中 \(e = 1.60\times10^{-19}\text{ C}\)。
重新整理後,
\[
N = \frac{q}{e}
\]
步驟 4
\[
N = \frac{120\text{ C}}{1.60\times10^{-19}\text{ C}}
= 7.5\times10^{20}
\]
因此,
\[
N = 7.5\times10^{20}\text{ 個電子}
\]
在電路圖上看起來相當普通的一個電流值,實際上代表有極大量的電子通過導線的橫截面。
注意,我們在這裡使用的是電子電荷的大小。電子本身的電荷為 \(-1.60\times10^{-19}\text{ C}\),但負號描述的是電荷的種類,以及它與傳統電流方向之間的關係。它並不表示電子的數目可以是「負數」。
08主要誤解:電荷越多,電流就越大
回到開頭的比較。
導線 A 在 3.0 s 內轉移 12 C:
\[
I_A = \frac{12}{3.0} = 4.0\text{ A}
\]
導線 B 在 5.0 s 內轉移 15 C:
\[
I_B = \frac{15}{5.0} = 3.0\text{ A}
\]
導線 A 的電流較大,儘管通過的總電荷量較少。
為甚麼錯誤的預測會讓人覺得合理?因為日常語言很容易讓我們認為「移動的東西越多」就一定代表「流量越大」。但流動速率一定與時間有關。
同樣的區別也可見於水流。把一個 10 L 的水桶裝滿,並不能告訴你水龍頭的流量,除非你也知道裝滿水桶用了多長時間。
因此,在比較電流時,絕不能只比較 \(q\)。要比較的是 \(q/t\) 的比值。
09電流與電子運動彼此相關,但並不是同一個概念
在金屬中,電子是可移動的載流子。它們的運動會產生電流。
但電流並不是「電子的速度」。它是電荷轉移的速率。
即使兩種情況下載流子的微觀行為不同,只要每秒通過指定橫截面的電荷量相同,它們仍然可以具有相同的電流。
這正是 \(I = q/t\) 如此有用的原因。它讓我們可以在電路層次描述電荷流動,而不必追蹤每一個電子。
10問題與解答
問題 1
一股穩定電流在 6.0 s 內使 18 C 的電荷通過某一點。計算電流。
解答 1
電流是3.0 A,因為電流是單位時間內轉移的電荷量。
使用
\[
I = \frac{q}{t}
\]
其中 \(q = 18\text{ C}\),\(t = 6.0\text{ s}\),
\[
I = \frac{18\text{ C}}{6.0\text{ s}}
= 3.0\text{ C s}^{-1}
= 3.0\text{ A}
\]
因此,每秒有 3.0 C 的電荷通過該點。
問題 2
兩條導線中都有穩定電流。
在導線 P 中,24 C 的電荷在 3.0 s 內通過某一點。在導線 Q 中,30 C 的電荷在 5.0 s 內通過某一點。
哪一條導線的電流較大?解釋為甚麼只比較總電荷量會得出錯誤的結論。
解答 2
**導線 P 的電流較大,為 8.0 A,而導線 Q 為 6.0 A。**單靠總電荷量不能決定電流,因為電流同時取決於電荷量和時間。
對於導線 P,
\[
I_P = \frac{24\text{ C}}{3.0\text{ s}}
= 8.0\text{ A}
\]
對於導線 Q,
\[
I_Q = \frac{30\text{ C}}{5.0\text{ s}}
= 6.0\text{ A}
\]
導線 Q 轉移的總電荷量較多,但所需時間也較長。導線 P 轉移電荷的速率較大。
一個很容易犯的錯誤,是看到 \(30\text{ C} > 24\text{ C}\),便斷定導線 Q 的電流一定較大。這樣做忽略了 \(I = q/t\) 中的分母。
問題 3
一個裝置有 0.40 A 的穩定電流流過,持續 2.5 分鐘。計算通過該裝置的總電荷量。
解答 3
轉移的總電荷量為60 C。
先把時間換算成秒:
\[
t = 2.5\times60 = 150\text{ s}
\]
對於穩定電流,
\[
q = It
\]
因此
\[
q = (0.40\text{ A})(150\text{ s})
= 60\text{ C}
\]
所以,在 2.5 分鐘的時間間隔內,有 60 C 的電荷通過該裝置。
一個常見錯誤是直接把 \(2.5\) 當作時間代入。安培的定義使用秒作為時間單位,因此必須先把時間換算成秒。
問題 4
一股 3.2 mA 的穩定電流流過導體 40 s。計算:
(a) 轉移的電荷量,以及
(b) 與這個電荷量相對應的電子數目。
使用 \(e = 1.60\times10^{-19}\text{ C}\)。
解答 4
轉移的電荷量為 \(0.128\text{ C}\),相當於 \(8.0\times10^{17}\) 個電子。
對於 (a),先換算電流:
\[
3.2\text{ mA} = 3.2\times10^{-3}\text{ A}
\]
使用
\[
q = It
\]
可得
\[
q = (3.2\times10^{-3}\text{ A})(40\text{ s})
= 0.128\text{ C}
\]
對於 (b),
\[
q = Ne
\]
因此
\[
N = \frac{q}{e}
\]
代入數值,
\[
N = \frac{0.128\text{ C}}{1.60\times10^{-19}\text{ C}}
= 8.0\times10^{17}
\]
因此,
\[
N = 8.0\times10^{17}\text{ 個電子}
\]
這個非常大的數值是合理的。一個電子所帶的電荷量極小,因此即使是不大的電流,也涉及極大量的載流子。
問題 5
一名學生測量電路中通過某一點的電荷量。
在最初的 3.0 s 內,有 6.0 C 的電荷通過該點。在接下來的 2.0 s 內,又有 8.0 C 的電荷通過。
學生計算
\[
I = \frac{14\text{ C}}{5.0\text{ s}} = 2.8\text{ A}
\]
並聲稱在完整的 5.0 s 內,電流一直穩定地保持在 2.8 A。
這個結論合理嗎?計算每個時間區間內的電流,並解釋 2.8 A 這個數值實際代表甚麼。
解答 5
不合理。電流並不是一直穩定在 2.8 A。2.8 A 是完整 5.0 s 期間的平均電流。
在第一個時間區間內,
\[
I_1 = \frac{q_1}{t_1}
= \frac{6.0\text{ C}}{3.0\text{ s}}
= 2.0\text{ A}
\]
在第二個時間區間內,
\[
I_2 = \frac{q_2}{t_2}
= \frac{8.0\text{ C}}{2.0\text{ s}}
= 4.0\text{ A}
\]
因此,電流由 2.0 A 改變為 4.0 A。
在完整的時間區間內,總電荷量為
\[
q_{\text{總}} = 6.0 + 8.0 = 14.0\text{ C}
\]
而總時間為
\[
t_{\text{總}} = 3.0 + 2.0 = 5.0\text{ s}
\]
因此平均電流為
\[
I_{\text{平均}}
= \frac{q_{\text{總}}}{t_{\text{總}}}
= \frac{14.0\text{ C}}{5.0\text{ s}}
= 2.8\text{ A}
\]
陷阱在於,根據一段較長時間內的一個 \(q/t\) 數值,就假設電流在每一個瞬間都具有同一數值。這並不成立。對於真正的穩定電流,在相等的時間間隔內,電荷會以相同速率轉移。
11理解這個概念後可以繼續做甚麼
一旦把電流理解為電荷流動速率,之後幾個電學概念也會更容易理解。
你可以把電路層次的物理量 \(I\) 與金屬中載流子的微觀運動連繫起來,而不再把電流想像成某種神祕的物質在導線中流動。你也可以解讀電荷-時間圖像、區分穩定電流與隨時間改變的電流,並計算在已知時間內有多少電荷通過電路元件。
關鍵的判斷很簡單:每當你遇到電流問題,就問自己:**「有多少電荷通過?需要多長時間?」**如果這兩個量之間由一個固定速率連繫起來,\(I = q/t\) 就能直接描述這個電荷流動。