การเคลื่อนที่ของพาหะประจุ

นิยามการเคลื่อนที่ของพาหะประจุ

การเคลื่อนที่ของพาหะประจุมีนิยามว่าเป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้ากับสนามไฟฟ้าที่ใช้ในตัวนำ ความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสองปัจจัย: ความเข้มของสนามไฟฟ้าและความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวนำ สำหรับสนามไฟฟ้าเดียวกัน โลหะต่างๆ จะมีความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันเนื่องจากความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะประจุที่ไม่เหมือนกัน

ในโลหะ วงโคจรของอิเล็กตรอนวาเลนซ์อาจไม่เต็ม ทำให้อิเล็กตรอนเสรีสามารถเคลื่อนที่ได้ อิเล็กตรอนเหล่านี้ไม่ผูกพันกับอะตอมเฉพาะใดๆ และเคลื่อนที่อิสระภายในโลหะ

สมมติว่ามีสนามไฟฟ้า Ε โวลต์/เมตรถูกนำไปใช้กับชิ้นโลหะ ด้วยอิทธิพลของสนามไฟฟ้านี้ อิเล็กตรอนเสรีจะถูกเร่งความเร็ว แต่เนื่องจากการชนกับไอออนที่หนักกว่า ความเร็วของอิเล็กตรอนไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้มากเกินไป ทุกครั้งที่ชน อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานจลน์และเร่งความเร็วใหม่เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายนอก ในทางนี้ อิเล็กตรอนจะถึงความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าที่คงที่หลังจากเวลาที่สนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้ สมมติว่าความเร็วนี้คือ v เมตร/วินาที ไม่จำเป็นต้องกล่าวว่าขนาดของความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าของอิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มของสนามไฟฟ้า Ε ที่ใช้

ที่นี่ μ เป็นค่าคงที่เชิงสัดส่วนที่เรียกว่าความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ความสามารถในการเคลื่อนที่นี้กำหนดว่าอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวนำได้ง่ายเพียงใด เมื่อความเร็วของการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าที่คงที่รวมกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มเนื่องจากความร้อน มีการไหลไปตามกระแสไฟฟ้าที่สุทธิตรงข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้า

ปรากฏการณ์นี้ประกอบเป็นกระแสไฟฟ้า ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า J จะถูกนิยามว่าเป็นกระแสไฟฟ้าที่กระจายอย่างสม่ำเสมอผ่านตัวนำต่อพื้นที่ตัดขวางต่อหน่วยของตัวนำ

J = ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า = กระแสไฟฟ้าต่อพื้นที่ตัดขวางต่อหน่วยของตัวนำ หรือสามารถนิยามได้ว่าเป็นกระแสไฟฟ้าที่กระจายอย่างสม่ำเสมอผ่านตัวนำที่มีพื้นที่ตัดขวางต่อหน่วย

หากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนต่อตารางเมตรคือ n,

nv = จำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านต่อเวลาต่อพื้นที่ตัดขวางต่อหน่วยของตัวนำ

ดังนั้น ประจุที่ผ่านพื้นที่ตัดขวางต่อหน่วยของตัวนำต่อเวลาคือ env คูลอมบ์ นี่คือความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าของตัวนำ

อีกครั้งสำหรับตัวนำที่มีขนาดหน่วย พื้นที่ตัดขวาง A = 1 m²

ความยาว L = 1 m สนามไฟฟ้า E = V/L = V/1 = V (V คือแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้กับตัวนำ) กระแสไฟฟ้า I = J และความต้านทาน R = ρ = 1/σ โดยที่ ρ คือความต้านทานไฟฟ้าและ σ คือความนำไฟฟ้าของตัวนำ