Скорость дрейфа - Drift velocity

В физике , А скорость дрейфа является средняя скорость достигается за счет заряженных частиц, таких как электроны , в материале из - за электрического поля . В общем, электрон в проводнике будет беспорядочно распространяться со скоростью 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 электронов

Скорость дрейфа пропорциональна току . В резистивном материале он также пропорционален величине внешнего электрического поля. Таким образом, закон Ома можно объяснить с точки зрения скорости дрейфа. Наиболее элементарное выражение закона:

где u - скорость дрейфа, μ - подвижность электронов материала , а E - электрическое поле . В системе MKS единицами измерения этих величин являются м / с, м 2 / ( В · 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 постоянной площади поперечного сечения имеет вид:

где U скорость дрейфа электронов, J представляет собой плотность тока , протекающая через материал, п является носители заряда плотности , и д есть заряд на носителях заряда.

Это также можно записать как:

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

куда

- плотность заряда (единица СИ: кулоны на кубический метр ).

С точкой зрения основных свойств в правом цилиндрическом токе -проведения металлического омического проводника , где носители заряда являются электронами , это выражение можно переписать в виде:

куда

Числовой пример

Электричество чаще всего передается по медным проводам. Медь имеет плотность8,94 г / см 3 и атомный вес , из63,546 г / моль , поэтому есть140 685 0,5 моль / м 3 . В одном моле любого элемента есть6.022 × 10 23 атомов ( число Авогадро ). Поэтому в1 м 3 меди, около8,5 × 10 28 атомов (6.022 × 10 23 ×140 685 0,5 моль / м 3 ). Медь имеет один свободный электрон на атом, поэтому n равно8,5 × 10 28 электронов на кубический метр.

Предположим, что ток I = 1 ампер , и проводДиаметр 2 мм (радиус =0,001 м ). Этот провод имеет площадь поперечного сечения A π × (0,001 м ) 2 =3,14 × 10 −6  м 2 =3,14 мм 2 . Заряд одного электрона является д =-1,6 × 10 -19  С . Таким образом, скорость дрейфа можно рассчитать:

Размерный анализ :

Следовательно, в этом проводе электроны движутся 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 .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки