电流的本质是什么？ 第1页

反对 @Patrick Zhang 的回答，因为里面有很多的错误。

先回答题主的问题。电流的本质就是带有非零净电荷的粒子的定向运动。这里的『带有非零静电荷的粒子』既可以是电子也可以是其他带电粒子（比如离子甚至空穴等等）；强调『定向运动』则是为了将其区分于带电粒子的热运动等不形成电流的运动方式。

接着说一下 @Patrick Zhang 的回答中的错误：

1. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

电流的本质是导体材料中的自由电子在电源产生的电场的作用下作定向运动。

是不对的。

首先，电流中传递电荷的粒子并不一定是电子，这一点我在上面也已经提到过了

其次，并不是所有电流都是在『电源产生的电场的作用下』存在的。举一个简单的反例：宇宙射线中的质子流就属于电流，其传播过程并不涉及到『电源产生的电场的作用』。

2. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

根据量子物理学，我们把电子的能级分为禁带和传导带。禁带中的电子都被原子核束缚在轨道上，而传导带中的电子则成为自由电子。

是错的。

首先，禁带（forbidden band；forbidden gap；band gap）指的是价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能量区域（如图），禁带中并不存在电子可占据的能级（这也是它被称为禁带的原因）。因此 @Patrick Zhang 所谓的『电子的能级分为禁带和传导带』、『禁带中的电子都被原子核束缚在轨道上』等完全是错误的主观臆想。

其次，与被束缚电子相对应的是价带，而不是 @Patrick Zhang 所说的禁带。

最后，并不是所有材料都存在禁带，比如价带和导带有重合的材料就没有。

3. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

电子接受了一点能量后从禁带进入传导带叫做激发，处于激发态的电子还会放出能量返回禁带。

是错的。

我上面已经提到过了，禁带中并不存在电子可占据的能级。电子吸收和释放能量导致的是它在价带和导带之间跃迁，并不会进出禁带。

4. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

于是，自由电子就如同海洋中的海豚一般，在金属原子禁带和传导带中进进出出。

是错的。

原因同上。

5. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

由于电场是对导体回路中所有自由电子同时产生作用，因此在导体的任意截面，在任意时刻流进和流出的自由电子数量之和等于零。
也就是说，导体中的自由电子不会产生堆积。
这种现象是基尔霍夫电流定律KCL的成立的原因，也即“串联电路中电流处处相等“的原因。

是错的。

首先，基尔霍夫电流定律（Kirchhoff’s current law）的成立是有条件的。并不是在导体中『任意时刻』任意节点都不会发生电荷堆积。比如从电路接通到电流稳定这段时间内基尔霍夫电流定律就不成立。又比如属于导体的电容器在充电过程就会发生电荷堆积。

其次，对于基尔霍夫电流定律，我们可以将其中所说的任意节点推广为任意不包含电源的闭合曲面，但不是 @Patrick Zhang 所谓的『导体的任意截面』。在基尔霍夫电流定律成立的情况下，流入（或流出）任意不包含电源的闭合曲面的净电荷为零。如果我们任意选择电线的一个横截面（即非闭合曲面），那么在规定截面方向后流入（或流出）该横截面的净电荷并不等于零，这是很显然的。 @Patrick Zhang 能说出『任意截面』说明其对基尔霍夫电流定律并没有足够的理解。

最后，上面所说的流入（或流出）任意不包含电源的闭合曲面的净电荷为零这句话是在统计意义上成立的，在某个特定时刻对于任何一个特定闭合曲面我们并不能绝对地保证流入（或流出）的净电荷严格为零。

6. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

即使在电场存在的任意时刻，自由电子进出传导带/禁带的数量与未加电场时一模一样，没有任何区别。
要证明这一点很容易：当自由电子返回禁带时它会把能量释放出来。电子所带的能量有高有低，所以当电子返回禁带时，它们所释放的能量会以某种确定频率的辐射光的形式（热辐射）释放出来，并且能产生某种金属表面的特殊颜色。我们发现，金属导体带电前后，它的表面颜色并未发生改变，这就证明了我们的结论。

是错的。

首先，正如我上面已经提到的，电子并不能进入禁带。

其次， @Patrick Zhang 这个想当然的所谓『证明』是无效的，它并不能证明『即使在电场存在的任意时刻，自由电子进出传导带/禁带的数量与未加电场时一模一样』。原因是很显然的：发生跃迁的电子数量影响的并不是辐射频率，而是辐射强度。因此我们不能用辐射频率相同来证明跃迁电子数量相同。另外，金属的颜色并不仅仅取决于电子能级之间的能量差，还跟温度等因素有密切关系，这也是常识了。

7. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

而电流自身的速度却是龟速，每秒钟仅仅只有几个厘米而已。

是不对的。

电流中带电荷粒子（比如电子）的定向运动速率（drift speed） 有一个很宽的取值范围，往上可以接近真空光速（比如宇宙射线中的质子流），往下也可以远小于 @Patrick Zhang 所说的每秒几厘米的量级。

8. @Patrick Zhang 在其回答中所说的：

第四个问题：大地为什么可以当做导线？
回答：
是的，大地确实可以做导线，但它的导电能力比导体相对较差。
如果大地中有钢筋来作为地网材料，则它的导电能力会比纯粹的大地要好得多。
在GB50054《低压配电设计规范》国家标准中，有大地电阻的值，一般规定接地极电阻不得大于4欧，但实测为0.8欧左右。
由于大地的电位为零，因此常常用接地来避免出现人身伤害事故。

完全是答非所问。

大地之所以是良好的导体，原因就是其中包含着溶解了矿物质的水，后者提供了大量的可自由移动的带电荷粒子（比如离子）。