在电磁学里,电流密度(current density)是电荷流动的密度,即每单位截面面积电流量。电流密度是一种向量,一般以符号表示。采用国际单位制,电流密度的单位是安培/米2(ampere/meter2,A/m2)。
定义
电流密度 J 可以简单地定义为通过单位面积 A(国际单位:m2)的电流 I(国际单位:A)。它的量值由极限给出:[1]
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当电流密度作为向量 J 时,在曲面 S 上进行曲面积分后,再对持续时间 t1 到 t2 积分,得到 (t2 − t1) 这段时间流过该面的电荷总量:
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计算通量所用到的面积可实可虚,可平可曲,可为截面也可为表面。例如,对于通过导体的载流子来说,这里遇到的面积是导体的截面。
重要性
对于电力系统和电子系统的设计而言,电流密度是很重要的。电路的性能与电流量紧密相关,而电流密度又是由导体的物体尺寸决定。例如,随着集成电路的尺寸越变越小,虽然较小的元件需要的电流也较小,为了要达到芯片内含的元件数量密度增高的目标,电流密度会趋向于增高。更详尽细节,请参阅摩尔定律。
在高频频域,由于趋肤效应,传导区域会更加局限于表面附近,因而促使电流密度增高。
电流密度过高会产生不理想后果。大多数电导体的电阻是有限的正值,会以热能的形式消散功率。为了要避免电导体因过热而被熔化或发生燃烧,并且防止绝缘材料遭到损坏,电流密度必须维持在过高值以下。假若电流密度过高,材料与材料之间的互连部分会开始移动,这现象称为电迁移(electromigration)。在超导体里,过高的电流密度会产生很强的磁场,这会使得超导体自发地丧失超导性质。
对于电流密度所做的分析和观察,可以用来探测固体内在的物理性质,包括金属、半导体、绝缘体等等。在这科学领域,材料学家已经研究发展出一套非常详尽的理论形式论,来解释很多机要的实验观察[2]。
安培力定律描述电流密度与磁场之间的关系。电流密度是安培力定律的一个重要参数,
计算电流密度
自由电流
大自然有很多种载有电荷的粒子,称为“带电粒子”,例如,导电体内可移动的电子、电解液内的离子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克[3]。这些带电粒子的移动,形成了电流。电荷流动的分布可以由电流密度来描述:
- ;
其中, 是在位置 、在时间 的电流密度向量, 是带电粒子的电荷量, 是带电粒子密度,是单位体积的带电粒子数量, 是电荷密度, 是带电粒子的平均漂移速度。
电流密度时常可以近似为与电场成正比,以方程表达为
- ;
其中, 是电场, 是电流密度, 是电导率,是电阻率的倒数。
推导
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电阻公式阐明,一个均匀截面的物体的电阻与电阻率和导体长度成正比,与截面面积成反比。以方程表达,
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其中, 是电阻, 是物体长度, 是物体的截面面积, 是电阻率。
根据欧姆定律,电压 等于电流 乘以电阻:
- 。
所以,
- 。
注意到在物体内,电场与电压的关系为
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其中, 是电流方向。
所以,
- 。
电导率为电阻率的倒数, 。电流密度与电场的关系为
- 。
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采用更基础性的方法来计算电流密度。这方法建立于方程
- ;
其中, 和 分别是位置积分变数和时间积分变数。
这方式显示出电导率 在时间方面的滞后响应,和在空间方面的非局域响应属性。原则上,通过微观量子分析,才能推导出来电导率函数。例如,对于足够弱小的电场,可以从描述物质的电导性质的线性响应函数(linear response function)推导[4]。经过一番沉思,可以了解,这电导率和其伴随的电流密度反映出,在时间方面和在空间方面,电荷传输于介质的基本机制。
假设每当 时, ,则这积分的上限可以延伸至无穷大:
- 。
做一个对于时间与空间的傅里叶变换,根据折积定理,可以得到
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其中, 是参数为波矢 和角频率 的电导率复函数。
许多物质的电导率是张量,电流可能不会与施加的电场同方向。例如,晶体物质这是这样的物质。磁场的施加也可能会改变电导行为。
穿过曲面的电流
穿过曲面 的电流 可以用面积分计算为
- ;
其中, 是电流密度, 是微小面元素。
连续方程
主条目:连续方程
由于电荷守恒,从某设定体积流出的电流的净流量,等于在这体积内部的电荷量的净变率。以方程表达,
- ;
其中, 是电荷密度, 是微小体元素, 是闭曲面 所包围的体积。
这方程左边的面积分表示电流从闭曲面 所包围的体积 流出来,中间和右边的体积分的负号表示,随着时间的前进,体积内部的电荷量逐渐减少。
根据散度定理,
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所以,
- 。
注意到对于任意体积 ,上述方程都成立。所以,两个被积式恒等:
- 。
称这方程为连续方程[5]。
参阅
参考文献
- ^ Essential Principles of Physics, P.M. Whelan, M.J. Hodgeson, 2nd Edition, 1978, John Murray, ISBN 0521782856
- ^
Anthony C. Fischer-Cripps, The electronics companion, CRC Press: pp. 13, 2004, ISBN 9780750310123
- ^ Jørgen Rammer, Quantum Field Theory of Non-equilibrium States, Cambridge University Press: pp. 158ff, 2007, ISBN 9780521874991
- ^ Griffiths, D.J., Introduction to Electrodynamics 3rd Edition, Pearson/Addison-Wesley: pp. 213, 1999, ISBN 013805326X