荷電キャリアの移動性

電荷キャリアの移動度の定義

電荷キャリアの移動度は、導体における漂移速度と適用される電場の比として定義されます。漂移速度は、電場の強度と導体の移動度の2つの要素に依存します。同じ電場であっても、異なる金属はそれぞれ固有の電荷キャリアの移動度を持っているため、異なる漂移速度を持つことになります。

金属では、価電子帯が完全に満たされていない場合があり、自由電子が動き回ることができます。これらの自由電子は特定の原子に結びついておらず、金属全体を独立して移動します。

ここで、ある電場Ε（ボルト/メートル）が金属片に適用されたと仮定します。この電場の影響により、自由電子は加速されます。しかし、より重いイオンとの衝突により、電子の速度は無限に増加することはできません。各衝突で電子は運動エネルギーを失い、外部電場の存在により再び加速されます。このようにして、一定時間電場が適用された後、電子は有限な安定した漂移速度v（メートル/秒）に達します。この漂移速度の大きさは、適用される電場Εの強度に比例することは言うまでもありません。

ここで、μは比例定数であり、電子の移動度と呼ばれます。この移動度は、電子が導体内をどのように容易に移動するかを決定します。安定した漂移速度が電子のランダムな熱運動と組み合わさると、電場の方向とは逆方向にネットワーク漂移が生じます。

この現象は電流を構成します。電流密度Jは、導体内を通る均一に分布した電流を、導体の単位垂直断面積あたりで定義されます。

J = 電流密度 = 単位面積あたりの電流。より正確には、電流密度は単位断面積の導体を通る均一に分布した電流として定義できます。

立方メートルあたりの電子濃度がnである場合、

nv = 単位時間あたり単位断面積を通過する電子の数。

したがって、単位時間あたり単位断面積を通過する総電荷量はenvクーロンです。これは導体の電流密度に他なりません。

また、単位寸法の導体の場合、断面積A = 1 m²

長さL = 1 m、適用される電場E = V/L = V/1 = V（Vは導体に適用される電圧）。電流I = J、抵抗R = ρ = 1/σ、ここでρは導体の電気抵抗率、σは導電率です。