Подвижность носителя заряда

Определение подвижности носителей заряда

Подвижность носителей заряда определяется как отношение скорости дрейфа к приложенному электрическому полю в проводнике. Скорость дрейфа зависит от двух факторов: интенсивности электрического поля и подвижности проводника. При одном и том же электрическом поле различные металлы будут иметь разные скорости дрейфа из-за их уникальной подвижности носителей заряда.

В металлах зона валентных электронов может не быть полностью заполнена, что позволяет свободным электронам перемещаться. Эти свободные электроны не привязаны к конкретным атомам и перемещаются независимо по всему металлу.

Предположим, что к куску металла приложено электрическое поле Ε вольт/метр. Под влиянием этого электрического поля свободные электроны будут ускоряться. Однако из-за столкновений с гораздо более тяжелыми ионами скорость электронов не может увеличиваться бесконечно. В результате каждого столкновения электрон теряет свою кинетическую энергию, а затем снова ускоряется под действием внешнего электрического поля. Таким образом, после определенного времени приложения электрического поля электроны достигают своей конечной устойчивой скорости дрейфа. Пусть эта скорость дрейфа составляет v метров/секунду. Необходимо отметить, что величина этой скорости дрейфа электронов прямо пропорциональна интенсивности приложенного электрического поля Ε.

Здесь μ — это коэффициент пропорциональности, известный как подвижность электронов. Эта подвижность определяет, насколько легко электроны перемещаются через проводник. Когда устойчивая скорость дрейфа сочетается со случайным тепловым движением электронов, возникает чистый дрейф, направленный противоположно направлению электрического поля.

Это явление составляет электрический ток. Плотность тока J определяется как равномерно распределенный ток, проходящий через проводник, на единицу перпендикулярного поперечного сечения проводника.

J = плотность тока = ток на единицу площади проводника. Более точно, плотность тока можно определить как равномерно распределенный ток, проходящий через проводник с единичным поперечным сечением.

Если концентрация электронов на кубический метр составляет n,

nv = количество электронов, проходящих через единицу времени и единицу поперечного сечения проводника.

Следовательно, общее количество заряда, проходящее через единицу поперечного сечения проводника за единицу времени, составляет env кулонов. Это и есть плотность тока проводника.

Снова для проводника с единичными размерами, поперечное сечение A = 1 м²

длина L = 1 м, приложенное электрическое поле E = V/L = V/1 = V (V — приложенное напряжение на проводник). Ток I = J, сопротивление R = ρ = 1/σ, где ρ — удельное сопротивление, а σ — удельная проводимость проводника.