stroomdichtheid

Stroomdichtheid, ook wel elektrische stroomdichtheid genoemd, is de hoeveelheid elektrische stroom die per eenheid oppervlakte door een gegeven vlak stroomt. Het is een vectoriële grootheid met richting gelijk aan de stroomrichting en eenheid ampère per vierkante meter (A/m^2). In veel gevallen wordt gesproken van de voluminale stroomdichtheid, aangeduid met J.

Als de dwarsdoorsnede uniform is, geldt I = ∫A J · dA, en bij een uniforme stroomdichtheid door het vlak vereenvoudigt dit tot I = J A, waarbij I de totale stroom is en A de doorsnede van de geleider.

Relaties met het elektrische veld zijn bijvoorbeeld via Ohms wet: J = σ E voor isotrope materialen, oftewel de stroomdichtheid is evenredig met het elektrische veld E, met σ de elektrische geleiding. In het Drude-model is J = nq μ E, waarin n de draagerdichtheid, q de elementaire lading en μ de mobiliteit is. Ook kan J geformuleerd worden als J = nq v_d, waarbij v_d de drift-snelheid van de drager is.

De continuïteitsvergelijking, een uitdrukking van waarom stroom niet opeens ontstaat of verdwijnt, luidt ∂ρ/∂t + ∇·J = 0, waarbij ρ de ruimte-opgeladenheid is. In stationaire toestand is ∇·J = 0, wat betekent dat de stroomdichtheid geen netto-opbouw van lading in ruimte veroorzaakt.

Naast de voluminale stroomdichtheid bestaan er ook oppervlaktelijke stroomdichtheden, aangeduid met K (met eenheden A/m). Deze wordt gebruikt voor dunne lagen en 2D-systemen en beschrijft de huidige langs een grens per lengte-eenheid.

Toepassingsgebieden zijn metalen, halfgeleiders, elektrolyten en biologische weefsels; de concepten van J en gerelateerde wetten vormen fundamentele tools in elektrisch ontwerp en analyse.