ניידות של נושא מטען

הגדרת ניידות נשאי המטען

ניידות נשאי המטען מוגדרת כיחס בין מהירות הגלישה לשדה החשמלי המופעל במנוע. מהירות הגלישה תלויה בשני גורמים: עוצמת השדה החשמלי וניידות המנוע. עבור אותו שדה חשמלי, מתכות שונות יישאו מהירויות גלישה שונות בשל ניידות הנשאים הייחודית שלהן.

במתכות, פסיקת האלקטרונים של הערכים לא תמיד מלאה, מה שמאפשר לאלקטרונים חופשיים להתקדם. אלקטרונים חופשיים אלו אינם קשורים לאטומים ספציפיים ומתקדמים באופן עצמאי לאורך המתכת.

נניח כי שדה חשמלי בגודל Ε וולט למטר מופעל על חתיכת המתכת. עקב השפעת השדה החשמלי, האלקטרונים החופשיים ייעשו במהירים. אך בשל התנגשויות עם אונים כבדים יותר, מהירות האלקטרונים לא יכולה להשתפר בצורה בלתי מוגבלת. בכל התנגשות האלקטרון מאבד את אנרגיית הקינטיקה שלו ולאחר מכן זוכה בחזרה בהאצה עקב הימצאותו של שדה חשמלי חיצוני. כך האלקטרונים מגיעים למהירות גלישה יציבה סופית לאחר זמן מסוים של שדה חשמלי מופעל. נניח שהמהירות הזו היא v מטר לשנייה. אין צורך לומר שמגמת מהירות הגלישה של האלקטרונים היא ישירה פרופורציונלית לעוצמת השדה החשמלי המופעל Ε.

כאן, μ הוא קבוע הפרופורציה המוכר כניידות האלקטרונים. ניידות זו קובעת כמה בקלות אלקטרונים נעים דרך המוליך. כאשר מהירות הגלישה היציבה מתאחדת עם התנועה הטרמית האקראית של האלקטרונים, יש תנועה נטו הפוכה לכיוון השדה החשמלי.

תופעה זו מהווה זרם חשמלי. צפיפות הזרם J תוגדר כשזרם אחיד עובר דרך מוליך לשטח חתך אנכי יחידה של המוליך.

J = צפיפות הזרם = זרם לשטח מוליך. באופן מדוייק יותר, צפיפות הזרם ניתנת להגדרה כזרם אחיד עובר דרך מוליך לשטח חתך יחידה.

אם הריכוז של אלקטרונים לכל מטר מעוקב הוא n,

nv = מספר האלקטרונים עוברים לשנייה אחת לשטח חתך יחידה של המוליך.

לכן המטען הכולל עובר לשטח חתך יחידה של המוליך לשנייה אחת הוא env קולון. זהו בעצם צפיפות הזרם של המוליך.

שוב, עבור מוליך בממדים יחידה, שטח החתך A = 1 מ"ר

אורך L = 1 מטר, שדה חשמלי מופעל E = V/L = V/1 = V (V הוא מתח מופעל על המוליך). זרם I = J והנגד R = ρ = 1/σ, כאשר, ρ הוא 저וממות ו- σ הוא מוליכות המוליך.