Микроскопический вид: скорость дрейфа

Физика > Микроскопический вид: скорость дрейфа

 

Рассмотрите скорость дрейфа электронов: роль проводников и электрического поля в движении зарядов, формула тока и дрейфа, скорость электрических сигналов.

Скорость дрейфа – средняя скорость, достигаемая частичкой из-за электрического поля.

Задача обучения

• Объединить скорость дрейфа и скорость свободных зарядов в проводниках.

Основные пункты

• Проводники обладают электрическим полем, заставляющим электроны дрейфовать в сторону, противоположную полю. Скорость – средняя свободных зарядов.
• Уравнение для соотношения скорости тока и дрейфа можно добыть методом исследования количества свободных зарядов в сегменте проволоки.
• I = qnAv связывает скорость дрейфа с током (I – ток через провод площади поперечного сечения А, выполненный из материала со свободной плотностью заряда n. Носители тока обладают зарядом q и перемещаются со скоростью дрейфа).

Термин

• Скорость дрейфа – средняя скорость свободных зарядов в проводнике.

Скорость дрейфа

Электрические сигналы перемещаются на больших скоростях. Достаточно хотя бы взглянуть на телефонные разговоры, транспортируемые токами в проводах и покрывающие огромные дистанции. Свет срабатывает, как только активируется переключатель.

Многие электрические сигналы перемещаются на скорости 10⁸ м/с. Однако индивидуальные заряды намного медленнее – 10^-4 м/с.

Откуда такая высокая скорость у электрических сигналов? Дело в том, что сила между ними действует быстро на дистанции. Поэтому, когда свободный заряд вставляется в провод, входящий подталкивает к нему другие, которые и дальше нажимают на линии. В итоге, формируется электрическая ударная волна, проходящая сквозь систему практически со световой скоростью.

Когда заряженные частички вставляются в объем проводника, то равное число должно быстро удалиться. Отталкивание между подобными зарядами препятствует увеличению количества зарядов в объеме. Так что, по мере поступления одного заряда, второй убегает практически сразу, транспортируя сигнал вперед

Скорость дрейфа

Хорошие проводники обладает большим запасом свободных зарядов. В металлах – свободные электроны. Отдельный электрон между столкновением с атомами и прочими электронами перемещается на крошечную дистанцию, поэтому их пути оказываются практически случайными. Но проводники наделены электрическим полем, заставляющим электроны дрейфовать в конкретном направлении.

Скорость дрейфа электронов (v_d) – средняя скорость свободных зарядов после воздействия поля. Она довольно небольшая, потому что присутствует много свободных зарядов. Если располагать плотностью свободных электронов в проводнике, то можно высчитать скорость дрейфа. Чем выше плотность, тем ниже скорость.

Свободные электроны часто сталкиваются. Здесь вы видите путь конкретной частички. Скорость дрейфа расположена в противоположном направлении электрическому полю для электронов. Коллизии обычно транспортируют энергию на проводник, нуждаясь в стабильном поступлении энергии для поддержания постоянного тока

Можно добыть формулу соотношения скорости тока и дрейфа через количество свободных зарядов в сегменте проволоки. Количество свободных зарядов на единицу объема задается символом n и зависит от материала. Ax – объем сегмента, так что количество свободных зарядов в нем равно nAx. Заряд ΔQ выступает сегментом, поэтому получаем qnAx (q – величина заряда на каждой несущей = 1.60 × 10^-19 C.) Ток – заряд, сдвинутый за временной промежуток. Если все исходные заряды выходят из этого сегмента за время t, то ток равен:

I = ΔQ/Δt = qnAx/Δt.

Интересно, что x/Δt – величина скорости дрейфа v_d, потому что заряды проходят среднюю дистанцию x за время t. Остальные показатели дают I = qnAv_d.

Плотность тока – электрический ток на единицу площади поперечного сечения.

---