كثافة التيار في المعدن والأشباه الموصلات

تعريف الكثافة الحالية

تُعرَّف الكثافة الحالية بأنها التيار الكهربائي لكل وحدة مساحة مقطع عرضي للموصل، ويُرمز لها بـ J.

صيغة الكثافة الحالية

تحسب الكثافة الحالية في المعدن باستخدام J = I/A، حيث I هو التيار وأما A فهي المساحة المقطعية العرضية.

تدفق التيار في أشباه الموصلات

في أشباه الموصلات، تعود الكثافة الحالية إلى الإلكترونات والفجوات، التي تتحرك في اتجاهين متعاكسين ولكنها تساهم في نفس اتجاه التيار.

الكثافة الحالية في المعدن

تخيل موصلًا بمقطع عرضي قدره 2.5 ملم مربع. إذا سببت إمكانية كهربائية تيارًا قدره 3 أمبير، فإن الكثافة الحالية ستكون 1.2 أمبير/مم² (3/2.5). هذا يفترض أن التيار موزع بشكل متساوٍ. وبالتالي، تُعرَّف الكثافة الحالية بأنها التيار الكهربائي لكل وحدة مساحة مقطع عرضي للموصل.

تعطى الكثافة الحالية، والتي يرمز لها بـ J، بواسطة J = I/A، حيث ‘I’ هو التيار و‘A’ هي المساحة المقطعية العرضية. إذا مر N من الإلكترونات عبر المقطع العرضي خلال الزمن T، فإن الشحنة المنقولة تكون Ne، حيث e هي شحنة الإلكترون بالكولوم.

الآن، الكمية من الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي لكل وحدة زمن هي

مرة أخرى، إذا كان عدد N من الإلكترونات موجودًا في طول L للموصل، فإن تركيز الإلكترونات يكون

الآن، من المعادلة (1) يمكننا كتابة

نظرًا لأن عدد N من الإلكترونات موجود في الطول L وأنهم جميعًا يمرون عبر المقطع العرضي خلال الزمن T، سيكون السرعة الدافعة للإلكترونات

وبالتالي، يمكن إعادة كتابة المعادلة (2) على النحو التالي

الآن، إذا تم تطبيق المجال الكهربائي على الموصل E، فإن السرعة الدافعة للإلكترونات تزداد بشكل تناسبي

حيث، μ يعرف بأنه حركة الإلكترونات

الكثافة الحالية في أشباه الموصلات

الكثافة الحالية الإجمالية في أشباه الموصلات هي مجموع الكثافات الحالية الناجمة عن الإلكترونات والفجوات، وكل منها له حركية مختلفة.

العلاقة مع الموصلية

ترتبط الكثافة الحالية (J) بالموصلية (σ) من خلال الصيغة J = σE، حيث E هي شدة المجال الكهربائي.