Введение

Количество заряда, протекающего через единицу площади поперечного сечения за единицу времени В электромагнетизме плотность тока - это количество заряда за единицу времени, которое протекает через единицу площади выбранного поперечного сечения. Вектор плотности тока определяется как вектор, величина которого равна электрическому току на площадь поперечного сечения в данной точке пространства, а его направление - направление движения положительных зарядов в этой точке. В базовых единицах СИ плотность электрического тока измеряется в амперах на квадратный метр.

Важность

Плотность тока важна для проектирования электрических и электронных систем. Производительность цепи сильно зависит от проектируемого уровня тока, а плотность тока определяется размерами проводящих элементов. Например, поскольку интегральные схемы уменьшаются в размерах, несмотря на меньший ток, требуемый меньшими устройствами, наблюдается тенденция к более высокой плотности тока для достижения более высокого числа устройств на все меньших площадях чипов. Посмотрите закон Мура. При высоких частотах проводящая область в проводе ограничивается вблизи его поверхности, что увеличивает плотность тока в этой области. Это называется эффектом кожи. Высокая плотность тока имеет нежелательные последствия. Большинство электрических проводников имеют конечное положительное сопротивление, что заставляет их рассеивать энергию в виде тепла. Плотность тока должна быть достаточно низкой, чтобы предотвратить плавление или сжигание проводника, отказ изоляционного материала или изменение желаемых электрических свойств. При высокой плотности тока материал, образующий взаимосвязи, фактически движется, явление называется электромиграцией. В сверхпроводниках избыточная плотность тока может генерировать достаточно сильное магнитное поле, чтобы вызвать спонтанную потерю сверхпроводящего свойства. Анализ и наблюдение за плотностью тока также используется для исследования физики, лежащей в основе природы твердых тел, включая не только металлы, но и полупроводники и изоляторы. Разработан сложный теоретический формализм, объясняющий многие фундаментальные наблюдения. Плотность тока является важным параметром в законе амперовской цепи (одно из уравнений Максвелла), которое связывает плотность тока с магнитным полем. В специальной теории относительности заряд и ток объединяются в 4-вектор.

Уравнение непрерывности

Поскольку заряд сохраняется, плотность тока должна удовлетворять уравнению непрерывности. Вот вывод из первых принципов.

На практике

В электрических проводах максимальная плотность тока (для заданной температуры) может варьироваться от 4 А⋅мм−2 для провода без циркуляции воздуха вокруг него до более 6 А⋅мм−2 для провода в свободном воздухе. Правила по строительству проводов перечисляют максимально допустимый ток для каждого размера кабеля в различных условиях. Для компактных конструкций, таких как обмотки трансформаторов SMPS, значение может быть не более 2 A⋅mm-2. Если проволока несет высокочастотные переменные токи, эффект кожи может повлиять на распределение тока по сечению, концентрируя ток на поверхности проводника. В трансформаторах, предназначенных для высоких частот, потери уменьшаются, если для обмотки используется проволока Litz. Она состоит из нескольких изолированных проводов, расположенных параллельно, диаметром в два раза больше глубины кожи. Изолированные нити скручиваются вместе, чтобы увеличить общую площадь кожи и уменьшить сопротивление, вызванное воздействием на кожу. Для верхнего и нижнего слоев печатных плат максимальная плотность тока может быть до 35 А⋅мм−2 при толщине меди 35 мкм. Внутренние слои не могут рассеивать столько же тепла, сколько внешние слои; конструкторы платок избегают появления высоких потоков на внутренних слоях. В области полупроводников максимальные плотности тока для различных элементов указываются производителем. Превышение этих пределов вызывает следующие проблемы: эффект Джоуля, который повышает температуру компонента. Электромиграционный эффект, который разрушит взаимосвязь и в конечном итоге вызовет открытую цепь. Медленный эффект диффузии, который при постоянном воздействии высоких температур, будет перемещать металлические ионы и допанты от места, где они должны быть. Этот эффект также является синонимом старения. В следующей таблице представлена максимальная плотность тока для различных материалов. МатериалТемпература Максимальная плотность тока Медные соединения ((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) Графеновые нанорелизы25 °C 0.110 × 108 А⋅см−2 (0.110 × 106 А⋅мм−2) Даже если производители добавляют некоторые к их числам, рекомендуется, по крайней мере, удвоить рассчитанный участок для повышения надежности, особенно для высококачественной электроники. Можно также заметить важность охлаждения электронных устройств, чтобы избежать их подвержения электромагистрации и медленной диффузии. В биологических организмах ионные каналы регулируют поток ионов (например, натрия, кальция, калия) через мембрану во всех клетках. Предполагается, что мембрана клетки действует как конденсатор. Плотность тока обычно выражается в pA⋅pF−1 (пикоампер на пикофарад) (то есть ток, деленный на емкость). Существуют методы эмпирического измерения емкости и площади поверхности ячеек, что позволяет рассчитать плотность тока для разных ячеек. Это позволяет исследователям сравнивать ионные токи в клетках разных размеров. В газоразрядных лампах, таких как фонарики, плотность тока играет важную роль в выработанном выходном спектре. Низкие плотности тока производят излучение спектральной линии и, как правило, благоприятствуют более длинным длинам волн. Высокие плотности тока производят непрерывную эмиссию и, как правило, благоприятствуют более коротким длинам волн. Низкая плотность тока для ламп-вспышек обычно составляет около 10 А⋅мм−2. Высокая плотность тока может быть более 40 А⋅мм−2.