Скорость дрейфа - Drift velocity

В физика а скорость дрейфа это Средняя скорость достигается заряженными частицами, такими как электроны, в материале благодаря электрическое поле. В общем, электрон в дирижер будет распространяться случайным образом в Скорость Ферми, в результате чего средняя скорость равна нулю. Приложение электрического поля добавляет к этому случайному движению небольшой чистый поток в одном направлении; это дрейф.

Скорость дрейфа пропорциональна Текущий. В резистивный материала он также пропорционален величине внешнего электрического поля. Таким образом Закон Ома можно объяснить с точки зрения скорости дрейфа. Наиболее элементарное выражение закона:

${ Displaystyle и = му Е,}$

куда ты скорость дрейфа, μ материал подвижность электронов, и E это электрическое поле. в Система МКС единицами измерения этих величин являются м / с, м²/(V · С) и В / м соответственно.

Когда к проводнику приложена разность потенциалов, свободные электроны между последовательными столкновениями приобретают скорость в направлении, противоположном электрическому полю (и теряют скорость при движении в направлении поля), таким образом приобретая компонент скорости в этом направлении в дополнение к его случайная тепловая скорость. В результате возникает определенная малая дрейфовая скорость электронов, которая накладывается на беспорядочное движение свободных электронов. Из-за этой скорости дрейфа возникает чистый поток электронов, противоположный направлению поля.

Экспериментальная мера

Формула для оценки скорости дрейфа носителей заряда в материале постоянного поперечный площадь определяется по:^[1]

${ displaystyle u = {j over nq},}$

куда ты - скорость дрейфа электронов, j это плотность тока протекает через материал, п является носителем заряда числовая плотность, и q это обвинять на носителе.

Это также можно записать как:

${ displaystyle j = nqu}$

Но плотность тока и скорость дрейфа j и u на самом деле являются векторами, поэтому это соотношение часто записывается как:

${ Displaystyle mathbf {J} = rho mathbf {u} ,}$

куда

${ Displaystyle rho = nq}$

это плотность заряда (Единица СИ: кулоны на кубический метр ).

По основным свойствам право-цилиндрический Текущий -перенос металлический омический проводник, где носителями заряда являются электроны, это выражение можно переписать как:^{[нужна цитата ]}

${ Displaystyle и = {м ; сигма Дельта V над rho ef ell},}$

куда

• ты - снова дрейфовая скорость электронов в м ⋅s⁻¹
• м это молекулярная масса металла, в кг
• σ это электропроводность среды при рассматриваемой температуре, в S /м.
• ΔV это Напряжение применяется поперек проводника, в V
• ρ это плотность (масса за единицу объем ) проводника, в кг ⋅м⁻³
• е это элементарный заряд, в C
• ж это количество свободные электроны на атом
• ℓ это длина проводника, в м

Числовой пример

Электричество чаще всего проводится по медным проводам. Медь имеет плотность 8,94 г / см³, и атомный вес из 63,546 г / моль, так что есть 1406850,5 моль / м³. В одной крот любого элемента есть 6.022×10²³ атомы ( Число Авогадро ). Поэтому в 1 мес.³ меди есть около 8.5×10²⁸ атомы (6.022×10²³ × 1406850,5 моль / м³). Медь имеет один свободный электрон на атом, поэтому п равно 8.5×10²⁸ электронов на кубический метр.

Предположим, что ток я = 1 ампер, и провод 2 мм диаметр (радиус = 0,001 м). Этот провод имеет площадь поперечного сечения А из π × (0,001 м)² = 3.14×10⁻⁶ м² = 3,14 мм². Заряд одного электрон является q = −1.6×10⁻¹⁹ C. Таким образом, скорость дрейфа можно рассчитать:

${ displaystyle { begin {align} u & = {I over nAq} u & = { frac {1 { text {C}} / { text {s}}} { left (8,5 times 10 ^ {28} { text {m}} ^ {- 3} right) left (3,14 times 10 ^ {- 6} { text {m}} ^ {2} right) left (1,6 раз 10 ^ {- 19} { text {C}} right)}} u & = 2,3 times 10 ^ {- 5} { text {m}} / { text {s}} end { выровнен}}}$

Размерный анализ:

${ displaystyle u = { dfrac { text {A}} {{ dfrac { text {electronic}} {{ text {m}} ^ {3}}} { cdot} { text {m} } ^ {2} cdot { dfrac { text {C}} { text {electronic}}}}} = { dfrac { dfrac { text {C}} { text {s}}} { { dfrac {1} { text {m}}} { cdot} { text {C}}}} = { dfrac { text {m}} { text {s}}}}$

Следовательно, в этом проводе электроны текут со скоростью 23 мкм / с. При переменном токе 60 Гц это означает, что за половину цикла электроны дрейфуют менее чем на 0,2 мкм. Другими словами, электроны, протекающие через точку контакта в переключателе, никогда не покинут переключатель.

Для сравнения, скорость потока Ферми этих электронов (которую при комнатной температуре можно рассматривать как их приблизительную скорость в отсутствие электрического тока) составляет около 1570 км / с.^[2]

Смотрите также

• Скорость потока
• Электронная подвижность
• Скорость электричества
• Камера дрейфа
• Гид-центр

Рекомендации

внешняя ссылка

• Закон Ома: вид под микроскопом в Гиперфизике