تعریف سرعت رانش تحرک الکترون ها

اگر یک ذره در فضا به گونه ای حرکت کند که به طور تصادفی جهت و سرعت خود را تغییر دهد، حاصل این حرکات تصادفی در مجموع سرعت رانش نامیده می شود.

سرعت رانش را می توان با تصور حرکت تصادفی الکترون های آزاد در یک رسانا درک کرد. الکترون های آزاد در یک رسانا با سرعت های تصادفی و جهت های تصادفی حرکت می کنند. وقتی یک میدان الکتریکی را در سراسر رسانا اعمال کنیم، الکترون هایی که به طور تصادفی حرکت می کنند، نیرویی را در جهت میدان تجربه می کنند.

به دلیل وجود میدان، الکترون ها از تصادفی بودن حرکت خود دست نمی کشند، اما با حرکت تصادفی خود به سمت پتانسیل بالاتر در رسانا حرکت می کنند. بنابراین، هر الکترون یک سرعت خالص به سمت پتانسیل بالاتر خواهد داشت و ما این سرعت خالص را به عنوان سرعت رانش الکترون ها تعریف می کنیم. جریان ناشی از این حرکت رانش الکترون ها درون یک رسانا که تحت فشار الکتریکی قرار دارد، به عنوان جریان رانش شناخته می شود. نیازی به گفتن نیست که هر جریان الکتریکی “جریان رانش” است.

سرعت رانش و تحرک الکترون

همیشه مقداری الکترون آزاد درون هر فلزی در دمای اتاق وجود دارد. از نظر علمی، در هر دمایی بالاتر از صفر مطلق، اگر ماده مانند فلز رسانا باشد، باید حداقل مقداری الکترون آزاد در آن وجود داشته باشد. این الکترون‌های آزاد درون رسانا به‌ طور تصادفی حرکت می‌کنند و هر بار هنگام برخورد با اتم‌ های سنگین تر جهت حرکت خود را تغییر می‌ دهند. هنگامی که یک میدان الکتریکی ثابت به یک رسانا اعمال می شود، الکترون ها به سمت ترمینال مثبت که‌ اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده است، حرکت می کنند. اما این حرکت الکترون ها به راحتی اتفاق نمی افتد.

در طی حرکت به سمت پتانسیل مثبت، الکترون ها دائماً با اتم ها برخورد می کنند و به طور تصادفی به عقب باز می گردند. در حین برخورد، الکترون ها مقداری از انرژی جنبشی خود را از دست می دهند و دوباره به دلیل وجود میدان الکتریکی، مجدداً به سمت پتانسیل مثبت شتاب می گیرند و انرژی جنبشی خود را به دست می آورند. در طی برخورد های بعدی، الکترون ها بخشی از انرژی جنبشی خود را به همان روش از دست می دهند. بنابراین میدان الکتریکی اعمال شده نمی تواند حرکت تصادفی الکترون ها را در داخل رسانا متوقف کند. اگرچه در حضور میدان الکتریکی حرکات الکترون‌ ها هنوز تصادفی است، اما یک حرکت کلی به سمت ترمینال های مثبت وجود خواهد داشت.

اگر ν سرعت رانش و E میدان الکتریکی اعمال شده باشد، داریم:

که در آن μe به عنوان تحرک الکترون نامیده می شود.

به عبارت دیگر، میدان الکتریکی اعمال شده باعث می‌ شود که الکترون‌ ها به سمت پایانه مثبت حرکت کنند. همچنین باعث می شود که الکترون ها سرعت رانش متوسطی داشته باشند. اگر شدت میدان الکتریکی افزایش یابد، الکترون‌ ها پس از هر برخورد با سرعت بیشتری به سمت پتانسیل مثبت شتاب می‌ گیرند. در نتیجه، الکترون ها سرعت رانش متوسط ​​بیشتری را به سمت پتانسیل مثبت، یعنی در جهت مخالف میدان الکتریکی اعمال شده، خواهند داشت.

تصویر متحرک سرعت رانش جریان و تحرک الکترون را می توانید در اینجا مشاهده کنید.

جریان ناشی از جاری شدن الکترون ها به دلیل سرعت رانش، جریان رانش نامیده می شود.