stroomdichtheden

Stroomdichtheid, of current density, is de hoeveelheid elektrische stroom per eenheid oppervlakte die door een materiaal stroomt. Het vectoriële grootheid J wordt uitgedrukt in ampère per vierkante meter (A/m^2). De totale stroom I door een dwarsdoorsnede A volgt uit I = ∫A J · dA; bij een homogeen draad met uniforme J geldt I = J A.

In veel materialen wordt J gerelateerd aan het elektrische veld via de wet van Ohm: J = σ E, waarbij σ de elektrische geleidbaarheid is en E het elektrische veld. In een stationaire toestand zonder opslag van lading geldt ∇·J = 0. Voor specifieke geometrieën en materialen leiden deze relaties tot de af te leiden veld- en spanningsverdelingen.

In halfgeleiders bestaan de current densities uit drift- en diffusiecomponenten. Drift J_d = q μ n E voor elektronen en J_d = q μ_p p E voor gaten. Diffusie J_diff = -q D ∇n voor elektronen en J_diff = -q D_p ∇p voor gaten. De Einstein-relatie D = μ kT/q koppelt diffusiviteit aan mobiliteit. Bij wisselstromen kan J(ω) worden geschreven als J(ω) = σ(ω) E(ω), met een complexe geleidbaarheid en fenomenen zoals de huiddiepte bij hoge frequenties.

Toepassingen van stroomdichtheden variëren van bedrading en geïntegreerde schakelingen tot elektrochemische cellen en bio-elektrische systemen. De ruimtelijke verdeling en de grootte van J bepalen prestaties, efficiëntie en veiligheid, waardoor stroomdichtheden een fundamentele maat zijn in zowel ontwerp als analyse.