چگالی جریان در فلز و نیمه‌رسانا

تعریف چگالی جریان

چگالی جریان به عنوان جریان الکتریکی بر واحد مساحت سطح مقطع هادی تعریف می‌شود که با J نمایش داده می‌شود.

فرمول چگالی جریان

چگالی جریان در فلز با استفاده از J = I/A محاسبه می‌شود، که در آن I جریان و A مساحت مقطع است.

جریان در نیمه‌رساناها

در نیمه‌رساناها، چگالی جریان به علت حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها که در جهات متضاد حرکت می‌کنند اما به جهت یکسان جریان می‌افزایند، است.

چگالی جریان در فلز

تصور کنید یک هادی با مساحت مقطع 2.5 میلی‌متر مربع. اگر پتانسیل الکتریکی باعث جریان 3 آمپر شود، چگالی جریان 1.2 آمپر بر میلی‌متر مربع (3/2.5) خواهد بود. این فرض می‌کند که جریان به طور یکنواخت توزیع شده است. بنابراین، چگالی جریان به عنوان جریان الکتریکی بر واحد مساحت مقطع هادی تعریف می‌شود.

چگالی جریان با J نمایش داده می‌شود و با J = I/A محاسبه می‌شود، که در آن 'I' جریان و 'A' مساحت مقطع است. اگر N الکترون از مقطع عبور کنند در زمان T، آنگاه بار منتقل شده Ne خواهد بود، که e بار الکترون در کولوم است.

حالا مقدار بار عبوری از مقطع بر واحد زمان است

دوباره اگر N تعداد الکترون در طول L هادی وجود داشته باشد، آنگاه غلظت الکترون‌ها است

حالا، از معادله (1) می‌توان نوشت،

از آنجا که N تعداد الکترون در طول L وجود دارد و همه آنها در زمان T از مقطع عبور می‌کنند، سرعت مداری الکترون‌ها خواهد بود،

بنابراین، معادله (2) می‌تواند به صورت زیر بازنویسی شود

اکنون اگر میدان الکتریکی به هادی اعمال شود E، آنگاه سرعت مداری الکترون‌ها به طور متناسب افزایش می‌یابد،

که در آن μ به عنوان موبیلیت الکترون‌ها تعریف می‌شود

چگالی جریان در نیمه‌رساناها

چگالی جریان کل در یک نیمه‌رسانا مجموع چگالی جریان‌های ناشی از الکترون‌ها و حفره‌ها است که هر کدام موبیلیت‌های متفاوتی دارند.

رابطه با رسانایی

چگالی جریان (J) با رسانایی (σ) از طریق فرمول J = σE مرتبط است، که در آن E شدت میدان الکتریکی است.