Кіріспе
Электромагнетизмде ток тығыздығы - таңдалған қиманың бірлік ауданы арқылы ағып жатқан уақыт бірлігі бойынша зарядтың мөлшері. Ағым тығыздығы векторы - бұл шамасы кеңістіктегі белгілі бір нүктедегі көлденең қима ауданы бойынша электр тогы болып табылатын вектор, оның бағыты осы нүктедегі оң зарядтардың қозғалысы болып табылады. СИ базалық бірліктерінде электр тогының тығыздығы шаршы метрге ампермен өлшенеді.
In electromagnetism, current density is the amount of charge per unit time that flows through a unit area of a chosen cross section. The current density vector is defined as a vector whose magnitude is the electric current per cross sectional area at a given point in space, its direction being that of the motion of the positive charges at this point. In SI base units, the electric current density is measured in amperes per square metre.
Маңыздылық
Ағым тығыздығы электрлік және электрондық жүйелерді жобалауда маңызды. Сұлбаның жұмыс істеу қабілеті жобаланған ток деңгейіне қатты байланысты, ал ток тығыздығы өткізгіш элементтердің өлшемдерімен анықталады. Мысалы, интегралды схемалардың көлемі кішірейгендіктен, кіші құрылғылар талап ететін токтың төмендеуіне қарамастан, кішірек бөлшектердегі құрылғылардың санын арттыру үшін ток тығыздығының жоғары болу үрдісі байқалады. Мур заңының мәнін қараңыз. Жоғары жиіліктерде сымның өткізгіш аймағы оның бетінің жанында шектеледі, бұл осы аймақтағы ток тығыздығын арттырады. Бұл тері әсері деп аталады. Ағыстың жоғары тығыздығы жағымсыз әсер етеді. Электр өткізгіштерінің көпшілігі шекті, оң кедергіге ие, бұл оларды жылу түрінде энергияны таратуға мәжбүр етеді. Ағымдағы тығыздық өткізгіштің балқып немесе жануын, оқшаулағыш материалдың бұзылуын немесе қажетті электрлік қасиеттердің өзгеруін болдырмау үшін жеткілікті деңгейде сақталуы керек. Ағыстың тығыздығы жоғары кезде өзара байланыстарды құрайтын материал қозғалады, бұл құбылысты электромиграция деп атайды. Үдемелі ток тығыздығы суперөткізгіштерде үдемелі өткізгіш қасиеттерін өздігінен жоғалтуға жеткілікті магнит өрісін тудыруы мүмкін. Ағымдағы тығыздықты талдау және бақылау қатты денелердің табиғатын зерттейтін физиканы зерттеу үшін қолданылады, оның ішінде тек металдар ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгіштер мен изоляторлар. Көптеген негізгі байқауларды түсіндіру үшін күрделі теориялық формализм пайда болды. Ағым тығыздығы - АМПЕРдің контурлық заңындағы (Максвелл теңдеулерінің бірі) маңызды параметр, ол ток тығыздығын магнит өрісіне байланыстырады. Арнайы салыстырмалылық теориясында заряд пен ток 4 векторға біріктіріледі.
Тұрақтылық теңдеуі
Заряд сақталғандықтан ток тығыздығы үздіксіздік теңдеуін қанағаттандыруы керек. Бұл жерде бірінші принциптерден алынған қорытынды бар.
Іс жүзінде
Электр сымдарында ең жоғары ток тығыздығы (белгіленген температуралық рейтинг үшін) ауа айналымы жоқ сым үшін 4 А⋅мм−2 -ден, ашық ауадағы сым үшін 6 А⋅мм−2 -ден жоғары болуы мүмкін. Құрылыс сымдарын орнату ережелері әр түрлі жағдайда әрбір кабель өлшеміне рұқсат етілген ең жоғары ток мөлшерін көрсетеді. SMPS трансформаторларының орамдары сияқты компактты конструкциялар үшін бұл мән 2 А⋅мм-2 дейін төмен болуы мүмкін. Егер сым жоғары жиілікті ауыспалы ток өткізсе, тері әсері токтың өткізгіштің бетінде шоғырлануы арқылы токтың кесінді бойынша таралуына әсер етуі мүмкін. Жоғары жиілікке арналған трансформаторларда, егер орамдар үшін Литц сымдарын қолданса, жоғалтулар азаяды. Бұл - тері тереңдігінен екі есе үлкен диаметрлі, бірнеше іргелес орналасқан, оқшауланған сымнан жасалған. Оқшауланған жіптер терідің жалпы аумағын ұлғайту және тері әсерінен болатын кедергілерді азайту үшін біріктіріледі. Баспалы схема тақталарының жоғарғы және төменгі қабаттары үшін максималды ток тығыздығы 35 А⋅мм-2 болуы мүмкін, мыстың қалыңдығы 35 мкм. Ішкі қабаттар сыртқы қабаттар сияқты көп жылуды шашыра алмайды; схемалық тақталарды жобалаушылар ішкі қабаттарға жоғары ток іздерін қоюдан аулақ болады. Жартылай өткізгіштер саласында әр түрлі элементтер үшін ең жоғары ток тығыздықтарын өндіруші береді. Бұл шектерден асып кету келесі проблемаларды тудырады: Компоненттің температурасын арттыратын Джоуль эффектісі. Электромиграциялық әсері, ол өзара байланысты бұзады және ақыр соңында ашық контурды тудырады. Металл иондарын және допанттарды тұрақты түрде жоғары температурада ұстағанда, олар орналасуы керек жерден алыстататын баяу диффузиялық әсер. Бұл әсер қартаюмен бірдей. Төмендегі кестеде әртүрлі материалдар үшін ең жоғары ток тығыздығы туралы түсінік берілген. Материал Температура Максималды ток тығыздығы Мыс өзара байланыстар ((180 нм технология) 25 °C 1000 мА⋅мм−2 (1000 А⋅мм−2) 50 °C 700 мА⋅м−2 (700 А⋅мм−2) 85 °C 400 мА⋅м−2 (400 А⋅м−2) 125 °C 100 мА⋅м−2 (100 А⋅м−2) Графен нанобайталары25 °C 0.110 × 108 А⋅см−2 (0.110 × 106 А⋅мм−2) Өнеркәсіпшілер өздерінің сандарына кейбір шектерді қосса да, сенімділікті арттыру үшін, әсіресе жоғары сапалы электроника үшін, есептелген бөлімді кем дегенде екі есеге көбейту ұсынылады. Электрондық құрылғыларды электрлік көші-қонға және баяу диффузияға ұшыратудан аулақ болу үшін оларды салқын ұстаудың маңыздылығын да байқауға болады. Биологиялық организмдерде иондық арналар барлық жасушалардағы мембрана арқылы иондардың (мысалы, натрий, кальций, калий) ағынын реттейді. Жасушаның мембранасы конденсатор сияқты әрекет етеді деп болжанады. Ағымдағы тығыздықтар әдетте pA⋅pF−1 (пикоамперлер бір пикофарадқа) (яғни, ток сыйымдылыққа бөлінген) деп көрсетіледі. Клеткалардың сыйымдылығы мен бетін эмпирикалық түрде өлшеу үшін әдістер бар, бұл әртүрлі клеткалар үшін ток тығыздықтарын есептеуді қамтамасыз етеді. Бұл зерттеушілерге әртүрлі өлшемді жасушалардағы иондық токтарды салыстыруға мүмкіндік береді. Газдық разрядты шамдарда, мысалы, флеш-лампаларда ток тығыздығы шығарылатын шығыс спектрінде маңызды рөл атқарады. Ағымының төмен тығыздығы спектрлік желілік сәуле шығаруды тудырады және ұзын толқын ұзындығын ұнайды. Жоғары ток тығыздықтары үздіксіз сәуле шығаруды тудырады және қысқа толқын ұзындығын ұнатады. Жарық шамдарының төменгі ток тығыздықтары әдетте 10 А⋅мм-2 шамасында болады. Жоғары ток тығыздықтары 40 А⋅мм-2-ден аса алады.
The Joule effect which increases the temperature of the component. The electromigration effect which will erode the interconnection and eventually cause an open circuit. The slow diffusion effect which, if exposed to high temperatures continuously, will move metallic ions and dopants away from where they should be. This effect is also synonymous with ageing. The following table gives an idea of the maximum current density for various materials. MaterialTemperature Maximum current densityCopper interconnections(180 nm technology)25 °C 1000 μA⋅μm−2 (1000 A⋅mm−2)50 °C 700 μA⋅μm−2 (700 A⋅mm−2)85 °C 400 μA⋅μm−2 (400 A⋅mm−2)125 °C 100 μA⋅μm−2 (100 A⋅mm−2)Graphene nanoribbons25 °C 0.1–10 × 108 A⋅cm−2 (0.1–10 × 106 A⋅mm−2)
Even if manufacturers add some margin to their numbers, it is recommended to, at least, double the calculated section to improve the reliability, especially for high quality electronics. One can also notice the importance of keeping electronic devices cool to avoid exposing them to electromigration and slow diffusion. In biological organisms, ion channels regulate the flow of ions (for example, sodium, calcium, potassium) across the membrane in all cells. The membrane of a cell is assumed to act like a capacitor. Current densities are usually expressed in pA⋅pF−1 (picoamperes per picofarad) (i. e., current divided by capacitance). Techniques exist to empirically measure capacitance and surface area of cells, which enables calculation of current densities for different cells. This enables researchers to compare ionic currents in cells of different sizes. In gas discharge lamps, such as flashlamps, current density plays an important role in the output spectrum produced. Low current densities produce spectral line emission and tend to favour longer wavelengths. High current densities produce continuum emission and tend to favour shorter wavelengths. Low current densities for flash lamps are generally around 10 A⋅mm−2. High current densities can be more than 40 A⋅mm−2.