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電流密度

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電流密度矢量是描述電路中某點電流強弱和流動方向的物理量。其大小等於單位時間內通過某一單位面積的電量,方向向量為單位面積相應截面的法向量,指向由正電荷通過此截面的指向確定。因為導線中不同點上與電流方向垂直的單位面積上流過的電流不同,為了描寫每點的電流情況,有必要引入一個矢量場——電流密度J,即面電流密度。每點的J的方向定義為該點的正電荷運動方向,J的大小則定義為過點並與J垂直的單位面積上的電流·。
中文名
電 流 密 度
外文名
( Current density)
量名:
矢量
簡介:
電路中某點電流強弱和流動方向
符號:
電流密度 J
單位:
安培每平方米,記作:A/㎡

電流密度簡述

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有時,電流分佈在導體表面的一個很薄的區域,將這樣的分佈電流理想化為電流分佈在無厚度的幾何表面內,並稱為面電流密度, [1]  記做Js,方向為正電荷運動的方向。
量子效率與電流密度的關係 量子效率與電流密度的關係

電流密度單位及公式

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單位:安培每平方米,記作A/㎡。 它在物理中一般用J表示。
公式:J=I/S
I和J都是描寫電流的物理量,I是標量,描寫一個面的電流情況,J是矢量場,描寫每點的電流情況,
電流密度時常可以近似為與電場成正比,以方程表達為
J=σE ;其中,E 是電場強度,J 是電流密度,σ是電導率,是電阻率倒數
歐姆定律:R(電阻=電壓/電流)
電阻公式闡明,一個均勻截面的物體的電阻與電阻率和導體長度成正比,與截面面積成反比。以方程表達
R=ρL/S ;其中,R 是電阻,L是物體長度,S是物體的截面面積,ρ是電阻率 。
根據歐姆定律,電壓 V等於電流 I乘以電阻:V=IR
所以,
鍍層厚度與電流密度的關係 鍍層厚度與電流密度的關係
V=I*ρL/S 。注意到在物體內,電場與電壓的關係為E=Z*V/L
其中,Z是電流方向。
所以,E=Z*ρI/S=ρJ
電導率為電阻率的倒數, σ=1/ρ 。電流密度與電場的關係為
J=σE 。

電流密度重要性

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對於電力系統和電子系統的設計而言,電流密度是很重要的。電路的性能與電流量緊密相關,而電流密度又是由導體的物體尺寸決定。例如,隨着集成電路的尺寸越變越小,雖然較小的元件需要的電流也較小,為了要達到芯片內含的元件數量密度增高的目標,電流密度會趨向於增高。更詳盡細節,請參閲摩爾定律
在高頻頻域,由於趨膚效應,傳導區域會更加侷限於表面附近,因而促使電流密度增高。
電流密度過高會產生不理想後果。大多數電導體的電阻是有限的正值,會以熱能的形式消散功率。為了要避免電導體因過熱而被熔化或發生燃燒,並且防止絕緣材料遭到損壞,電流密度必須維持在過高值以下。假若電流密度過高,材料與材料之間的互連部分會開始移動,這現象稱為電遷移(electromigration)。在超導體裏,過高的電流密度會產生很強的磁場,這會使得超導體自發地喪失超導性質。
對於電流密度所做的分析和觀察,可以用來探測固體內在的物理性質,包括金屬、半導體、絕緣體等等。在這科學領域,材料學家已經研究發展出一套非常詳盡的理論形式論,來解釋很多機要的實驗觀察。
安培力定律描述電流密度與磁場之間的關係。電流密度是安培力定律的一個重要參數。
在變壓器設計中,不同鐵心大小,不同温升,不同的壓降要求,不同的散熱條件電流密度都會不同,不能認為多大的線徑允許多大的電流密度是一個定值,
電流強度和電流密度之間的關係
電流密度是一種度量,以向量的形式定義,其方向是單位面積相應截面的法向量,其大小是單位截面面積的電流。採用國際單位制,電流密度的單位是「安培/平方公尺」
參考資料
  • 1.    牛中奇.電磁場理論基礎:電子工業出版社,2001:57