Czym jest prędkość dryfu elektronów z derywacją

Czym jest prędkość dryfu elektronów z derywacją

Każdy materiał składa się z atomów, które z kolei składają się z ujemnie naładowanych elektronów. Te ujemnie naładowane elektrony poruszają się w atomie w przypadkowych kierunkach. Ten ruch elektronów generuje Elektryczność . Jednak ze względu na ich losowy ruch średnia prędkość elektronów w materiale wynosi zero. Zaobserwowano, że gdy różnica potencjałów jest przyłożona do końców materiału, elektrony obecne w materiale uzyskują pewną prędkość, co powoduje niewielki przepływ netto w jednym kierunku. Ta prędkość, która powoduje ruch elektronów w określonym kierunku, nazywana jest prędkością dryfu.



Co to jest prędkość dryfu?

Średnia prędkość osiągana przez przypadkowo poruszające się elektrony, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, które powoduje ruch elektronów w jednym kierunku, nazywa się prędkością dryfu.


Każdy materiał przewodnika zawiera swobodne, losowo poruszające się elektrony w temperaturze powyżej zera absolutnego. Kiedy zewnętrzne pole elektryczne jest przyłożone wokół materiału, elektrony osiągają prędkość i mają tendencję do poruszania się w kierunku dodatnim, a prędkość netto elektronów będzie w jednym kierunku. Elektron będzie poruszał się w kierunku przyłożonego pola elektrycznego. Tutaj elektron nie rezygnuje ze swojej przypadkowości ruchu, ale swoim przypadkowym ruchem przesuwa się w kierunku wyższego potencjału.





Prąd wytwarzany przez ten ruch elektronów w kierunku wyższego potencjału nazywany jest prądem dryftu. Można więc powiedzieć, że każdy prąd wytwarzany w materiale przewodnika jest prądem dryfującym.

Prędkość znoszenia Pochodzenie

Aby uzyskać wyrażenie określające prędkość dryfu trzeba znać jego związek z ruchliwością elektronów i wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. Ruchliwość elektronu jest definiowana jako prędkość dryfu dla jednostkowego pola elektrycznego. Pole elektryczne jest proporcjonalne do prądu. Więc Prawo Ohma można zapisać jako



F = -μE .—— (1)


gdzie μ jest ruchliwością elektronu mierzoną jako mdwa/ V.sec

E jest polem elektrycznym mierzonym jako V / m

wiemy, że F = ma, podstawiamy w (1)

a = F / m = -μE / m ———- (2)

prędkość końcowa u = v + at

Tutaj v = 0, t = T, czyli czas relaksacji elektronu

Dlatego u = aT, podstaw w (2)

∴ u = - (μE / m) T

Tutaj u jest prędkością dryfu, mierzoną w m / s.

To daje ostateczny wyraz. Plik TAK jednostka prędkości znoszenia to m / s lub mdwa/(V.s) i V / m

Formuła prędkości driftu

Ta formuła służy do znajdowania prędkość dryfu elektronów w przewodzie przewodzącym prąd. Gdy elektrony o gęstości n i ładunku Q powodują przepływ prądu „I” przez przewodnik o polu przekroju A, prędkość dryfu v można obliczyć ze wzoru I = nAvQ.

Wzrost natężenia przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego powoduje szybsze przyspieszanie elektronów w kierunku dodatnim, przeciwnym do kierunku przyłożonego pola elektrycznego.

Zależność między prędkością dryfu a prądem elektrycznym

Każdy przewodnik zawiera w sobie losowo poruszające się wolne elektrony. Ruch elektronów w jednym kierunku spowodowany prędkością dryfu generuje prąd. Prędkość dryfu elektronu jest bardzo mała, zwykle wynosi 10-1SM. Tak więc przy takiej prędkości przejście elektronu przez przewodnik o długości jednego metra zajmie zwykle 17 minut.

Dryft-speed-of-electrons

dryft-prędkość-elektronów

Oznacza to, że jeśli zapalimy żarówkę, powinna się zapalić po 17 minutach. Ale możemy zapalić żarówkę w naszym domu z prędkością błyskawicy jednym pstryknięciem przełącznika. Dzieje się tak, ponieważ prędkość prądu elektrycznego nie zależy od prędkości dryfu elektronu.

Prąd elektryczny porusza się z prędkością światła. Nie jest to ustalane z prędkością dryfu elektronów w materiale. Może więc różnić się materiałem, ale prędkość prądu elektrycznego zawsze zależy od prędkości światła.

Zależność między gęstością prądu a prędkością dryfu

Gęstość prądu definiuje się jako całkowitą ilość prądu przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę pola przekroju poprzecznego przewodnika. Ze wzoru na prędkość dryfu prąd podaje się jako

I = nAvQ

tak więc gęstość prądu J, gdy podane są pole przekroju poprzecznego i prędkość dryfu, można obliczyć jako

J = I / A = nvQ

gdzie v jest prędkością dryfu elektronów. Gęstość prądu jest mierzona w amperach na metr kwadratowy. Tak więc ze wzoru można powiedzieć, że prędkość dryfu elektronów przewodnika i jego gęstość prądu są do siebie wprost proporcjonalne. Wraz ze wzrostem prędkości dryfu wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego zwiększa się również przepływ prądu przez pole przekroju poprzecznego.

Rpodniecenie między prędkością dryfu a czasem relaksacji

W przewodniku elektrony poruszają się losowo jako cząsteczki gazu. Podczas tego ruchu zderzają się ze sobą. Czas relaksacji elektronu to czas potrzebny elektronowi do powrotu do swojej początkowej wartości równowagi po zderzeniu. Ten czas relaksacji jest wprost proporcjonalny do przyłożonego zewnętrznego natężenia pola elektrycznego. Im większy czas pola elektrycznego, tym więcej czasu potrzebnego elektronom na osiągnięcie początkowej równowagi po usunięciu pola.

Czas relaksacji definiuje się również jako czas, w którym elektron może swobodnie poruszać się między kolejnymi zderzeniami z innymi jonami.

Gdy siła spowodowana przyłożonym polem elektrycznym wynosi eE, wówczas V można podać jako

V = (eE / m) T

gdzie T jest czasem relaksacji elektronów.

Wyrażenie prędkości dryfu

Kiedy Mobilność μ nośników ładunku i natężenie przyłożonego pola elektrycznego E są podane, wówczas prawo Ohma w odniesieniu do prędkości dryfu można wyrazić jako

V = μE

Jednostki SI dla ruchliwości elektronu to mdwa/ Vs.

Jednostki SI pola elektrycznego E to V / m.

Zatem jednostką SI dla v jest m / s. Ta jednostka SI jest również znana jako Axial Drift Velocity.

Zatem elektrony obecne w przewodniku poruszają się losowo, nawet gdy nie jest przyłożone żadne zewnętrzne pole elektryczne. Ale wytwarzana przez nie prędkość netto zostaje anulowana z powodu przypadkowych kolizji, więc prąd netto wyniesie zero. Zatem zależność między prądem elektrycznym, gęstością prądu i prędkością dryfu pomaga w prawidłowym przepływie prądu elektrycznego przez kierowca . Co to jest prąd dryfu?