Ladingstromen

Ladingstromen verwijzen naar de stroming van elektrische ladingdragers binnen een materiaal of een elektrisch systeem. De dragers zijn doorgaans elektronen en gaten in metalen en halfgeleiders, of ionen in elektrolyten en elektrochemische systemen. De intensiteit van de stroming wordt uitgedrukt als de elektrische stroom of stroomdichtheid J, gemeten in ampère per vierkante meter.

Stromen ontstaan doordat dragers bewegen onder invloed van aandrijfkrachten. De belangrijkste zijn een elektrisch veld, dat zorgt voor drift, en een concentratie- of chemische potentiaalgradiënt, die diffusie aandrijft. In elektrolytische systemen treden daarnaast interacties op bij interfaces en bij ions transport in oplossingen. In elektronische geleiding spelen defecten en bandstructuur mee en bepalen ze mede hoe snel dragers bewegen.

Wiskundig worden ladingstromen beschreven met de stroomdichtheid J. In lineaire media geldt J = σE, waarbij σ de geleiding is en E het elektrische veld. Een uitgebreidere benadering is het drift-diffusie-model: J = qμnE − qD∇n voor elektronische dragers, met q de lading, μ de mobiliteit en D de diffusiecoëfficiënt. De continuïteitsvergelijking ∂ρ/∂t + ∇·J = 0 beschrijft hoe de ladingsdensiteit ρ in de ruimte en tijd verandert.

Dragers en materialen: In metalen overheerst elektronische geleiding door elektronen; in halfgeleiders dragen zowel elektronen als gaten bij aan de geleiding, met mobiliteiten die sterk afhankelijk zijn van temperatuur en dopage. In elektrolyten transporteren vooral ionen (bijvoorbeeld kationen en anionen) lading; de bijdrage van elk soort drager kan variëren afhankelijk van omstandigheden.

Betekenis en meting: Ladingstromen zijn fundamenteel voor elektronica, energieopslag en elektrochemische conversie. Geleiding wordt gemeten als conductiviteit; in elektrolytische systemen spreekt men van ionische geleidbaarheid. Begrip van ladingstromen is cruciaal bij het ontwerp van circuits, batterijen, zonnecellen en brandstofcellen.