Latausvärimateriaalin liikkuvuus

Varauksen kuljettajien liikkuvuuden määritelmä

Varauksen kuljettajien liikkuvuus määritellään johtimateriaalissa sovellettavan sähkökentän ja driftinopeuden suhteena. Driftinopeus riippuu kahdesta tekijästä: sähkökentän voimakkuudesta ja johtajan liikkuvuudesta. Samaan sähkökenttään eri metallit reagoivat eri driftinopeudella niiden yksilöllisen liikkuvuuden vuoksi.

Metalleissa virtausvarauksen elektroniydin ei välttämättä ole täysin täytetty, mikä mahdollistaa vapaiden elektronien liikkumisen. Nämä vapaat elektronit eivät ole kiinteästi yhteen sidottuja tietyille atomeille, vaan ne liikkuvat itsenäisesti metallin läpi.

Oletetaan nyt, että metallilevylle kohdistuu Ε volt/metri sähkökenttä. Tämän sähkökentän vaikutuksesta vapaita elektroneja kiihdytetään. Mutta törmäyksien seurauksena paljon painavampiin ioonneihin elektronien nopeutta ei voida kasvattaa rajattomasti. Jokaisessa törmäyksessä elektroni menettää kinettisen energiansa ja saa uudelleen kiihtyvyyttä ulkoisen sähkökentän läsnäolon ansiosta. Näin ollen elektronit saavuttavat äärellisen vakionopeuden driftinopeudeksi tietyn ajan kuluttua sähkökentän soveltamisesta. Oletetaan, että tämä driftinopeus on v metri/sekunti. On tarpeetonta sanoa, että tämän driftinopeuden suuruus on suoraan verrannollinen sovellettavan sähkökentän voimakkuuteen Ε.

Tässä μ on verrannollisuusvakio, jota kutsutaan elektronien liikkuvuudeksi. Tämä liikkuvuus määrittelee, kuinka helposti elektronit liikkuvat johtimateriaalin läpi. Kun vakio driftinopeus yhdistyy elektronien satunnaisiin lämpöliikkeisiin, syntyy nettonetto drifti, joka on vastakkainen sähkökentän suuntaan nähden.

Tämä ilmiö muodostaa sähkövirtauksen. Virtatiheys J määritellään tasaisesti levitettyyn johtimeen kulkevana virrana per yksikkö kohtisuoraa poikkileikkausala johtimateriaalia kohden.

J = virtatiheys = virta per yksikkö pinta-ala johtimesta. Tarkemmin virtatiheyttä voidaan määritellä tasaisesti levitettyyn johtimeen kulkevana virrana per yksikkö poikkileikkausala.

Jos elektronien tiheys kuutiometriä kohden on n,

nv = elektronien lukumäärä, joka kulkee yksikkönä ajanjaksona yksikkö poikkileikkausalasta johtimesta.

Näin ollen kokonaisluku sähkövarauksia, jotka kulkevat yksikkö poikkileikkausalasta johtimesta yksikkönä ajanjaksona, on env kulmakertoimia. Tämä on sama kuin johtimen virtatiheys.

Taas yksikkömitoisen johtimen osalta, poikkileikkausala A = 1 m²

Pituus L = 1 m, sovellettava sähkökenttä E = V/L = V/1 = V (V on sovellettava jännite johtimen yli). Virta I = J ja vastus R = ρ = 1/σ, missä ρ on vastuskyky ja σ on johtimateriaalin johtavuus.