Drift Velocity of Electrons with Derivation คืออะไร

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





วัสดุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบเหล่านี้เคลื่อนที่ไปในทิศทางสุ่มภายในอะตอม การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้ก่อให้เกิด ไฟฟ้า . แต่เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบสุ่มความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนในวัสดุจึงกลายเป็นศูนย์ พบว่าเมื่อนำความต่างศักย์ไปใช้กับปลายของวัสดุอิเล็กตรอนที่อยู่ในวัสดุจะได้รับความเร็วจำนวนหนึ่งซึ่งทำให้เกิดการไหลสุทธิเล็กน้อยในทิศทางเดียว ความเร็วที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่งเรียกว่า Drift Velocity

Drift Velocity คืออะไร?

ความเร็วเฉลี่ยที่ได้มาจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่แบบสุ่มเมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอกซึ่งทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปทางเดียวเรียกว่า Drift Velocity




วัสดุตัวนำทุกชิ้นประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่แบบสุ่มที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ เมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกถูกนำไปใช้รอบ ๆ วัสดุอิเล็กตรอนจะบรรลุความเร็วและมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางบวกและความเร็วสุทธิของอิเล็กตรอนจะอยู่ในทิศทางเดียว อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ประยุกต์ ในที่นี้อิเล็กตรอนไม่ยอมแพ้การเคลื่อนที่แบบสุ่ม แต่เปลี่ยนไปสู่ศักยภาพที่สูงขึ้นด้วยการเคลื่อนที่แบบสุ่ม

กระแสที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปยังศักย์ที่สูงกว่านี้เรียกว่า Drift Current ดังนั้นจึงสามารถพูดได้ว่าทุกกระแสที่ผลิตในวัสดุตัวนำคือ Drift Current



Drift Velocity ที่มา

เพื่อให้ได้มาซึ่งไฟล์ นิพจน์สำหรับความเร็วดริฟท์ ต้องทราบความสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและผลของสนามไฟฟ้าภายนอกที่ใช้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนถูกกำหนดให้เป็น Drift Velocity สำหรับสนามไฟฟ้าของหน่วย สนามไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้า ดังนั้น กฎของโอห์ม สามารถเขียนเป็น

F = -μE .—— (1)


โดยที่μคือความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่วัดได้เป็น mสอง/ V.sec

E คือสนามไฟฟ้าที่วัดเป็น V / m

เรารู้ว่า F = ma แทนที่ใน (1)

ก = F / m = -μE / m ———- (2)

ความเร็วสุดท้าย u = v + ที่

นี่คือ v = 0, t = T ซึ่งเป็นเวลาผ่อนคลายของอิเล็กตรอน

ดังนั้น u = aT แทนที่ใน (2)

∴ u = - (μE / ม.) T

นี่คือความเร็วของ Drift ซึ่งวัดเป็น m / s

สิ่งนี้ให้นิพจน์สุดท้าย ใช่ หน่วยของความเร็วดริฟท์ คือ m / s หรือ สอง/(V.s) & V / ม

สูตร Drift Velocity

สูตรนี้ใช้เพื่อค้นหาไฟล์ ความเร็วลอยของอิเล็กตรอน ในตัวนำกระแสไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนที่มีความหนาแน่น n และประจุ Q ทำให้กระแส ‘I’ ไหลผ่านตัวนำของพื้นที่หน้าตัด A ความเร็วดริฟต์ v สามารถคำนวณได้จากสูตร I = nAvQ

การเพิ่มขึ้นของความเข้มของสนามไฟฟ้าภายนอกที่นำไปใช้ทำให้อิเล็กตรอนเร่งเร็วขึ้นไปยังทิศทางบวกตรงข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ใช้

ความสัมพันธ์ระหว่าง Drift Velocity และ Electric Current

ตัวนำทุกตัวมีอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่แบบสุ่มอยู่ในนั้น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางเดียวที่เกิดจากความเร็วดริฟต์ทำให้เกิดกระแส ความเร็วดริฟต์ของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยมากโดยปกติจะมีค่าเท่ากับ 10-1นางสาว. ดังนั้นด้วยความเร็วจำนวนนี้อิเล็กตรอนโดยปกติจะใช้เวลา 17 นาทีในการผ่านตัวนำที่มีความยาวหนึ่งเมตร

ดริฟต์ - ความเร็วของอิเล็กตรอน

ดริฟท์ความเร็วของอิเล็กตรอน

นั่นหมายความว่าถ้าเราเปิดหลอดไฟฟ้าควรเปิดหลังจาก 17 นาที แต่เราสามารถเปิดหลอดไฟฟ้าในบ้านได้ด้วยความเร็วสูงเพียงแค่กดสวิตช์ เนื่องจากความเร็วของกระแสไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วดริฟต์ของอิเล็กตรอน

กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ไม่ได้กำหนดด้วยความเร็วดริฟต์ของอิเล็กตรอนในวัสดุ ดังนั้นวัสดุอาจแตกต่างกันไป แต่ความเร็วของกระแสไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับความเร็วแสงเสมอ

ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นปัจจุบันและความเร็วดริฟท์

ความหนาแน่นกระแสถูกกำหนดให้เป็นจำนวนรวมของกระแสไฟฟ้าต่อหน่วยเวลาผ่านต่อหน่วยพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ จากสูตรของความเร็วดริฟต์กระแสจะได้รับเป็น

ฉัน = nAvQ

ดังนั้นความหนาแน่นกระแส J เมื่อกำหนดพื้นที่หน้าตัดและความเร็วดริฟท์สามารถคำนวณได้เป็น

J = I / A = nvQ

โดยที่ v คือความเร็วดริฟต์ของอิเล็กตรอน ความหนาแน่นกระแสวัดเป็นแอมแปร์ต่อตารางเมตร ดังนั้นจากสูตรจึงสามารถกล่าวได้ว่าความเร็วดริฟต์ของอิเล็กตรอนของตัวนำและความหนาแน่นกระแสเป็นสัดส่วนโดยตรงซึ่งกันและกัน เมื่อความเร็วดริฟท์เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเข้มสนามไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านต่อพื้นที่หน้าตัดก็เพิ่มขึ้นด้วย

Rความอิ่มเอมใจระหว่าง Drift Velocity และ Relaxation Time

ในตัวนำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่แบบสุ่มเป็นโมเลกุลของแก๊ส ระหว่างการเคลื่อนไหวนี้พวกเขาชนกัน เวลาคลายตัวของอิเล็กตรอนคือเวลาที่อิเล็กตรอนต้องการเพื่อกลับสู่ค่าสมดุลเริ่มต้นหลังจากการชนกัน เวลาพักผ่อนนี้แปรผันตรงกับความแรงของสนามไฟฟ้าภายนอกที่ใช้ เวลาสนามไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้นเวลาที่อิเล็กตรอนต้องการเพื่อให้เข้าสู่สภาวะสมดุลเริ่มต้นมากขึ้นหลังจากที่สนามถูกลบ

เวลาพักผ่อนยังหมายถึงเวลาที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระระหว่างการชนกับไอออนอื่น ๆ อย่างต่อเนื่อง

เมื่อแรงอันเนื่องมาจากสนามไฟฟ้าที่ใช้คือ eE ดังนั้นจึงสามารถกำหนด V เป็น

V = (eE / m) T

โดยที่ T คือเวลาผ่อนคลายของอิเล็กตรอน

Drift Velocity Expression

เมื่อ ความคล่องตัว μของตัวพาประจุและความแรงของสนามไฟฟ้าที่นำไปใช้ E แล้วกฎของโอห์มในแง่ของความเร็วดริฟท์สามารถแสดงเป็น

V = μE

หน่วย S.I สำหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนคือมสอง/ V-s.

หน่วย S.I ของสนามไฟฟ้า E คือ V / m

ดังนั้นหน่วย S.I สำหรับ v คือ m / s หน่วย S.I นี้เรียกอีกอย่างว่า Axial Drift Velocity

ดังนั้นอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวนำจึงเคลื่อนที่แบบสุ่มแม้ว่าจะไม่มีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกก็ตาม แต่ความเร็วสุทธิที่เกิดจากพวกมันถูกยกเลิกเนื่องจากการชนแบบสุ่มดังนั้นกระแสสุทธิจะเป็นศูนย์ ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าความหนาแน่นของกระแสและความเร็วดริฟท์ช่วยในการไหลของกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมผ่าน คนขับ . กระแสดริฟต์คืออะไร?