电流长什么样子？（电流是由什么引起的）

所谓电流，是指电荷的定向移动。电荷不是实物粒子，是粒子的属性。带电的实物粒子有电子、质子、离子等。所以要“看”电流长什么样子，实际上就是看一群“带电粒子”的以下信息：

固体、液体、气体、等离子体，导体、绝缘体、半导体，大气、大地、人体等地方都可以产生和流过电流。题主提到真空，那就主要介绍下真空电流。

1、真空管中的电子束流

上图显示了均匀磁场中沿圆形路径运动的细电子束。实际上电子束是看不到的，图中的圆形蓝色辉光，是电子束撞击玻璃球泡中的氢气而产生的。使电子束流形成圆形偏转的，是一对亥姆霍兹线圈所产生的均匀磁场。

这里的电流在真空中利用氢气“画了一个圆”。

2、显示管（CRT）中的电子束流

老式电视机就是使用“显像管”来显示图像的。最左侧是阴极电子枪，在热作用下发射电子。经加速系统（靠电场）、偏转系统（靠磁场），电子束（图中蓝色线）方向偏转，最终在阳极高压（15000V）的吸引下，电子束轰击屏幕上的某一处荧光粉，产生一个光亮点。偏转系统让电子束从左往右一行一行扫描400多行算一帧，每秒循环扫描50帧，来显示动态图像。由于显像管内真空度较高，所以肉眼看不到电子束。

可见，这里的电流是“出发后逐点扫描屏幕”。

3、电子管内的电子束流

这是一种叫“真空束射四极管”的电子管的工作原理示意图。电子束从阴极出发，经过栅极控制、帘栅极和集束屏整形后，在阳极高压的作用下，轰击到阳极（屏极）板上。图中所示的虚线就是电子流，可见，其空间形状呈“片状”，并朝阳极方向扩散一定角度。至于这类电子管的工作原理及实物图片，请参与hnsjc：电子管原理及束射四极管KT88结构研究。

可见，这里的电流是“分隔成片、并被栅极控制电流大小”。

4、磁控管

磁控管大家可能不太清楚，但微波炉再也熟悉不过了，每家每户都有，磁控管就是微波炉的核心器件，用于产生微波。下图是一个磁控管。

下图是剖面图：

下图是内部结构示意图：

磁控管中间的阴极（亮黄色）加热时发射释放热电子，外围的阳极（古铜色）上开了8个圆形的腔。上下端安放永磁体，产生轴向磁场。在阳极电压作用下，电子原来是径向飞向阳极的。由于垂直磁场的作用，导致电子以圆形路径向外盘旋，而不是直接移动到阳极，形成类似于纺车辐条的旋转图案。当电子辐条路过空腔的开口时，它们会导致金属中的自由电子围绕空腔振荡，在腔体内产生谐振高频无线电场，就是微波。

原理有点复杂，理解不了正常。据说二战时英国人开发了磁控管技术，用于增强雷达微波功率。这项技术传到美国，美国的科学愣是没看懂。

磁控管内部也是真空，阴极发射的电流是“纺车辐条状旋转状”。

5、行波管

行波管这种“真空电子器件”，估计好多人都没听到过。但现代行波管是雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、 导航、 遥感、遥控、遥测等电子设备的核心器件，不可或缺。

行波管是一种高功率放大器，用于将微波信号放大到很宽的范围，可提供300 MHz 至 50 GHz的工作频率，输出功率在几瓦到几兆瓦的范围内。

简单讲讲原理：电子枪发射电子，聚集成束（中间3条蓝色线），经过一段较长距离的“慢波线”，最终到达右端的阳极收集。螺旋线左端输入小信号射频，与电子束相互作用，电子束的能量在作用过程中交给射频，起到了放大作用。所以电子束流在漂移过程中是快快慢慢的。

下图是另一种画法，结构都差不多。

下图是实物，如果你捡到一个，千万不要卖废品，这种货物很昂贵，要交给国家，可能是某个飞机上掉下来的。

所以，行波管的电流是“按照频率，快快慢慢地飘”。

6、速调管

大功率速调管用作超高频电视发射机、卫星通信、雷达发射机的输出管，并用于粒子加速器的驱动射频源。

工作原理与行波管差不多，电子束（红色）在飘移过程中，与腔信号（蓝色）交换能量，最终使用电子束前后速度不一样，形成一群一群的“束”，或者说“一堆一堆”，到右边腔时把能量交出去。对右腔来说，来一堆电子，电场很强，电子漂过后的空档，电场很小，电场这样变化，就是放大了的微波信号了。

下图是美国斯坦福大学的国家加速器实验室（SLAC）的速调管走廊，大概有上百个，1英里多长。目的是向“直线加速器”提供能量，把电子加速到99.9999999%光束，用以产生高能激光。关于加速器，后面会提到。

可见，速调管的电流是“漂成一堆又一堆”。

7、同步辐射光源

真空电流的终极设施——粒子加速器！设施有圆环形和直线型2种，动辄几百米甚至上千米周长或长度。粒子被加速到十分接近光束，每个电子能量高达1-8Gev，甚至更高。

这些设施，最早用于粒子科学实验，比如正负电子对撞，撞出一些新东西。后来发现，高速电子转弯时会放出强烈的光线（从红外光到X光，都有），叫“同步辐射”，这些光是做各种材料、化学、生物实验的最理想光线了，这可让科学家们开心坏了，一股脑儿造了300多台大型“同步辐射光源”。2009年，我国在上海浦东张江园区造了一台，如下图，生意很好，去做实验都要排队的。

下图是法国ESFR同步辐射光源的结构示意图。电子从电子枪发出后，先经中间那个小环中加速到3Gev后，再进入大环，并在大环以近似光束的速度，循环跑上一两天。在奔跑的过程中，每一次转弯、每一次通过波荡器，都能发射出一批高能量的光线，用于实验。如果电子跑了一天有部分损失，就再启动电子枪向环中补充一些。

这里的电子束流，不是连续的，出发时就是“一团一团”的，上路以后，也需要一直保持这种形状。每团的尺寸、前后2团之间的间隔都要算得很准。不过由于沿路上要工作（转弯、振荡），所以形状会变坏（散开），所以得有许多大尺寸的磁铁系统对电子“束团”重新聚焦。这些磁铁几百公斤都算小的，电流近100安培，线圈中心都是空的，用水泵灌入水流来冷却线圈。

不管是在小环中加速，还是在大环中加速（因能量损失会造成减速），都要使用前面介绍过的“速调管”来产生强功率微波，导入下图所示的“超导铌加速腔”来加速电子束团。电子束团（红色纺锤形）经过加速腔时，被强电场“狠狠地推了一把”。

这些高速电子束团在经过波荡器时，被周期磁场“左摇右晃”，晃出了“准直向前、超高强度”的辐射光（红外、紫外、太赫兹、X光都有），应用最广泛的还是X光，这些光的亮度，比医院里的X光机要高出不少，大概是10亿倍吧。

同步辐射光源中的电流是“超高速，一团团，转弯扭动时发射光“。

8、自由电子X射线激光器

上世纪60年代，第一台气体激光器诞生。人们就想，能否制造一台X波段的激光器呢？但当时的技术做不出来。直到1991年，理论上开始有突破，2005年，德国DESY诞生了第一台“自由电子激光器FLASH”。它的原理与上面讲到的“同步辐射光源”类似，也是加速粒子到极高能量，再通过“波荡器”，产生想干激光，其结构原理如下图所示：

只是自由电子激光器不再使用电子存储环，而是采用几千米长的直线加速器，一口气把电子束团加速到6Gev，然后进入上百米长的波荡器。关于波荡器的原理，可参考：hnsjc：波荡器方程的推导。

电子被晃得头晕脑胀，硬生生把“束团”晃成了“束团片”，如上图中那个光亮束团右边处所示。由于电子束跑得快，与产生的X光速度很接近，2人（电子和X光）在波荡器中齐头并进了100多米（说齐头并进不妥当，电子还是要慢一些），这就造成了相干效果，其结果是：电子束团被切成片，X光相干后形成激光。

自由电子激光器中的电流是“超高速，先团团，再片片，扭摆干涉出激光”。

这种自由电子激光器产生的X激光比同步辐射光源更加厉害！我国目前好像还没有，但接下来大连可能要投建。X激光诞生以后，美国牛哄哄地吵着嚷着要造“X激光”武器，这对军方太有吸引力了：当有导弹、飞机、子弹来袭时，只消一束高能X激光，对方瞬间灰飞烟灭，导弹再快，谁能快得过光束呢！

真空电子器件还有一大堆，内部的真空电流也各式各样。想想真是神奇，竟然能利用不同的电流形式、及各种相互作用，发明出这么多的器件，应用这么广泛。如果哪天你有个奇思妙想，不妨也试试！

下面，再给出非真空电流的一些图像：

1、金属导体中的电流

金属中的电子，人们称为“电子海”“电子气”，在金属中是自由的。形成电流后，大部分会沿原子实形成的“势场”作类似波浪形的前进，少部分受热运动或原子振动等因素产生碰撞，造成电流阻力。

2、原子内部电子运动

电子在运动，也是电流，是原子内部的微电流。电子还有自转，也能产生电流效应。

经典图像是“行星模型”。电子像卫星，围绕原子核飞，速度大概是0.1倍光速。量子图像是“电子云”。电子在哪出现说不清，得讲概率。出现概率高的地方画得亮一点，否则暗一点，形成了下图的效果。下图是氢原子中不同量子态下的电子云，括号中的数字代表了的是量子数。

一个氢原子，也就一个电子，也可以搞这么复杂的形态。这些理论都是量子力学计算出来的，物理学真的伟大，人类真的厉害！希望我们中国多出一些顶尖科学家。