تعريف 10.1الفيزياء الجامعية — السنة الثانية · الفصل 10 — الشحن والتيارات والناقلية
على المقياس المتوسطي، تحمل المادة كثافة شحنة حجميةρ(M,t) (C/m3): أي الشحنة ρdτ في dτ. وقد يحمل سطح كثافة سطحيةσ (C/m2)، ويحمل سلك كثافةً خطية λ (C/m). وإذا تحركت حوامل النوع i (وشحنتها qi، وكثافتها العددية ni) بالسرعة المتوسطة vi، كانت كثافة التيار
j=i∑niqivi(A/m2),
وشدة التيار عبر سطح موجَّه S هي التدفق I=∬Sj⋅ndS: أي الشحنة العابرة للسطح S في واحدة الزمن. ومن أجل نوع واحد، j=ρmv مع ρm=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.
أمثلة
مثال 10.2(كم تنساق الإلكترونات ببطء)
في النحاس إلكترون ناقلية واحد لكل ذرة: n=ρCuNA/M=8900×6.02×1023/0.0635=8.5×1028m−3. وتيار مقداره 10A في سلك مقطعه 1.5mm2 يعطي j=6.7×106A/m2، وتكون سرعة الانسياقv=j/ne=6.7×106/(8.5×1028×1.6×10−19)=0.5mm/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، 30kA في قناة نصف قطرها 1cm: j≈1×108A/m2. وسلك منزلي: 106–107. وحزمة إلكترونية في أنبوب أشعة مهبطية، 1mA على 1mm2: 103. وليف عصبي، 1nA عبر 10µm2: 102. وحزمة مسرّع جسيمات، 1A في بقعة 0.1mm2: 107 — في الخلاء، وبلا أي تصادم.