الفيزياء · المسرد

ما معنى كثافة الشحنة؛ كثافة التيار؟

تعريف 10.1 الفيزياء الجامعية — السنة الثانية · الفصل 10 — الشحن والتيارات والناقلية

على المقياس المتوسطي، تحمل المادة كثافة شحنة حجمية ρ(M,t)\rho(M, t) (C/m3\mathrm{C}/\mathrm{m}^{3}): أي الشحنة ρ ⁣dτ\rho\,\dd\tau في  ⁣dτ\dd\tau. وقد يحمل سطح كثافة سطحية σ\sigma (C/m2\mathrm{C}/\mathrm{m}^{2})، ويحمل سلك كثافةً خطية λ\lambda (C/m\mathrm{C}/\mathrm{m}). وإذا تحركت حوامل النوع ii (وشحنتها qiq_i، وكثافتها العددية nin_i) بالسرعة المتوسطة vi\vect v_i، كانت كثافة التيار

j=iniqivi(A/m2),\vect j = \sum_in_iq_i\,\vect v_i \qquad (\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}) ,

وشدة التيار عبر سطح موجَّه SS هي التدفق I=Sjn ⁣dSI = \iint_S\vect j\cdot\vect n\,\dd S: أي الشحنة العابرة للسطح SS في واحدة الزمن. ومن أجل نوع واحد، j=ρmv\vect j = \rho_m\vect v مع ρm=nq\rho_m = nq كثافة الشحنة المتحركة.

على اليسار: أنبوب تيار — في النظام المستقر تعبر الشدّة نفسها كل مقطع. وعلى اليمين: إلكترون في معدن يتعرّج بين التصادمات بسرعة نحو 106 متر في الثانية؛ ويضيف المجال انسياقًا بطيئًا، معاكسًا للمجال E، مقداره جزء من الميليمتر في الثانية.
على اليسار: أنبوب تيار — في النظام المستقر تعبر الشدّة نفسها كل مقطع. وعلى اليمين: إلكترون في معدن يتعرّج بين التصادمات بسرعة نحو 10610^6 متر في الثانية؛ ويضيف المجال انسياقًا بطيئًا، معاكسًا للمجال E\vect E، مقداره جزء من الميليمتر في الثانية.

أمثلة

مثال 10.2 (كم تنساق الإلكترونات ببطء)

في النحاس إلكترون ناقلية واحد لكل ذرة: n=ρCuNA/M=8900×6.02×1023/0.0635=8.5×1028m3n = \rho_{\text{Cu}}N_A/M = 8900 \times 6.02 \times 10^{23}/0.0635 = 8.5 \times 10^{28}\,\mathrm{m}^{-3}. وتيار مقداره 10A10\,\mathrm{A} في سلك مقطعه 1.5mm21.5\,\mathrm{mm}^{2} يعطي j=6.7×106A/m2j = 6.7 \times 10^{6}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}، وتكون سرعة الانسياق v=j/ne=6.7×106/(8.5×1028×1.6×1019)=0.5mm/sv = j/ne = 6.7 \times 10^6/(8.5 \times 10^{28} \times 1.6 \times 10^{-19}) = 0.5\,\mathrm{mm}/\mathrm{s} — أي ساعتين في المتر. ويضيء المصباح في الحال لأن المجال الذي يدفع الإلكترونات يُقام على امتداد السلك كله في نانوثوانٍ (وينتقل بما يقارب سرعة الضوء، كما بيّن كابل الفصل 8): فتنطلق الإلكترونات كلها معًا، كالماء في خرطوم مملوء.

مثال 10.3 (رتب القدر)

الصاعقة، 30kA30\,\mathrm{kA} في قناة نصف قطرها 1cm1\,\mathrm{cm}: j1×108A/m2j \approx 1 \times 10^{8}\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}. وسلك منزلي: 10610^610710^7. وحزمة إلكترونية في أنبوب أشعة مهبطية، 1mA1\,\mathrm{mA} على 1mm21\,\mathrm{mm}^{2}: 10310^3. وليف عصبي، 1nA1\,\mathrm{nA} عبر 10µm210\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}: 10210^2. وحزمة مسرّع جسيمات، 1A1\,\mathrm{A} في بقعة 0.1mm20.1\,\mathrm{mm}^{2}: 10710^7 — في الخلاء، وبلا أي تصادم.

اقرأ في الفصل ←