Мобільність носіїв заряду

Визначення рухливості носіїв заряду

Рухливість носіїв заряду визначається як співвідношення дрейфової швидкості до прикладеного електричного поля в провіднику. Дрейфова швидкість залежить від двох факторів: інтенсивності електричного поля та рухливості провідника. При однаковому електричному полі, різні метали матимуть різну дрейфову швидкість через їхню унікальну рухливість носіїв заряду.

У металів зона валентних електронів може не бути повністю заповнена, що дозволяє вільним електронам рухатися. Ці вільні електрони не прив'язані до певних атомів і рухаються незалежно по всьому металу.

Тепер припустимо, що на частину металу прикладено електричне поле Е вольт/метр. З-за впливу цього електричного поля вільні електрони будуть прискорюватися. Але через зіткнення з набагато важчими іонами, швидкість електронів не може зростати безмежно. При кожному зіткненні електрон втрачає свою кінетичну енергію, а потім знову отримує прискорення завдяки наявності зовнішнього електричного поля. Таким чином, через певний час прикладеного електричного поля електрони досягають своєї скінченної стаціонарної дрейфової швидкості. Припустимо, що ця дрейфова швидкість становить v метрів/секунду. Варто зазначити, що величина цієї дрейфової швидкості електронів прямо пропорційна інтенсивності прикладеного електричного поля E.

Тут μ — це коефіцієнт пропорційності, відомий як рухливість електронів. Ця рухливість визначає, наскільки легко електрони рухаються через провідник. Коли стаціонарна дрейфова швидкість поєднується з хаотичним тепловим рухом електронів, відбувається загальний дрейф, що протилежить напрямку електричного поля.

Це явище становить електричний струм. Струмова густина J визначається як рівномірно розподілений струм, що проходить через провідник на одиницю перпендикулярної площі перерізу провідника.

J = струмова густина = струм на одиницю площі провідника. Більш точно, струмова густина може бути визначена як рівномірно розподілений струм, що проходить через провідник з площі перерізу, рівної одиниці.

Якщо концентрація електронів на кубічний метр становить n,

nv = кількість електронів, що переходить за одиницю часу через одиницю площі перерізу провідника.

Отже, загальний заряд, що переходить через одиницю площі перерізу провідника за одиницю часу, становить env кулонів. Це й є струмова густина провідника.

Знову ж таки, для провідника з одиничною розмірністю, площа перерізу A = 1 м²

довжина L = 1 м, прикладене електричне поле E = V/L = V/1 = V (V — прикладене напруга на провідник). Струм I = J, опір R = ρ = 1/σ, де ρ — удельна електрична опірність, а σ — провідність провідника.