تتكون كل مادة من ذرات تتكون بدورها من إلكترونات سالبة الشحنة. تتحرك هذه الإلكترونات سالبة الشحنة في اتجاهات عشوائية داخل الذرة. تولد حركة الإلكترونات هذه كهرباء . ولكن بسبب حركتهم العشوائية ، فإن متوسط سرعة الإلكترونات في مادة ما يصبح صفرًا. لقد لوحظ أنه عند تطبيق فرق جهد على نهايات مادة ما ، فإن الإلكترونات الموجودة في المادة تكتسب قدرًا معينًا من السرعة مما يؤدي إلى تدفق صافي صغير في اتجاه واحد. تُعرف هذه السرعة التي تسبب تحرك الإلكترونات في اتجاه معين باسم سرعة الانجراف.
ما هي سرعة الانجراف؟
يُطلق على متوسط السرعة التي حققتها الإلكترونات المتحركة العشوائية عند تطبيق المجال الكهربائي الخارجي ، والذي يتسبب في تحرك الإلكترونات نحو اتجاه واحد ، سرعة الانجراف.
تحتوي كل مادة موصلة على إلكترونات حرة تتحرك بشكل عشوائي عند درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق. عندما يتم تطبيق المجال الكهربائي الخارجي حول المادة ، تبلغ الإلكترونات السرعة وتميل إلى التحرك نحو الاتجاه الإيجابي ، وستكون السرعة الصافية للإلكترونات في اتجاه واحد. سيتحرك الإلكترون في اتجاه المجال الكهربائي المطبق. هنا لا يتخلى الإلكترون عن عشوائيته في الحركة ولكنه يتحول نحو إمكانات أعلى بحركته العشوائية.
التيار الناتج عن هذه الحركة للإلكترونات نحو الجهد العالي يسمى تيار الانجراف. وهكذا ، يمكن للمرء أن يقول أن كل تيار ينتج في مادة موصلة هو تيار انجراف.
سرعة الانجراف الاشتقاق
لاشتقاق التعبير عن سرعة الانجراف ، يجب معرفة علاقته بحركة الإلكترونات وتأثير المجال الكهربائي الخارجي المطبق. يتم تعريف تنقل الإلكترون على أنه سرعة الانجراف لوحدة المجال الكهربائي. المجال الكهربائي يتناسب مع التيار. وهكذا قانون أوم يمكن كتابتها كـ
F = -μE .—— (1)
حيث μ هي حركة الإلكترون المقاسة بـ mاثنين/ V.sec
E هو المجال الكهربائي المقاس بـ V / m
نعلم أن F = ma ، استبدل بـ (1)
أ = F / م = -μE / م ———- (2)
السرعة النهائية u = v + at
هنا v = 0 ، t = T ، وهو وقت استرخاء الإلكترون
لذلك u = aT ، استبدل بـ (2)
∴ ش = - (μE / م)
هنا ، u هي سرعة الانجراف ، مقاسة بـ m / s.
هذا يعطي التعبير النهائي. ال نعم وحدة سرعة الانجراف هو م / ث أو ماثنين/ (V.s) & الخامس / م
صيغة سرعة الانجراف
تستخدم هذه الصيغة لإيجاد سرعة انجراف الإلكترونات في الموصل الحامل للتيار. عندما تتسبب الإلكترونات ذات الكثافة n والشحنة Q في تدفق 'I' الحالي عبر موصل منطقة المقطع العرضي A ، يمكن حساب سرعة الانجراف v من خلال الصيغة I = nAvQ.
تؤدي الزيادة في شدة المجال الكهربائي الخارجي المطبق إلى تسريع الإلكترونات بسرعة أكبر نحو اتجاه إيجابي ، عكس اتجاه المجال الكهربائي المطبق.
العلاقة بين سرعة الانجراف والتيار الكهربائي
يحتوي كل موصل على إلكترونات حرة متحركة بشكل عشوائي. حركة الإلكترونات في اتجاه واحد التي تسببها سرعة الانجراف تولد تيارًا. عادة ما تكون سرعة انجراف الإلكترون صغيرة جدًا من حيث 10-1آنسة. وهكذا ، مع هذا المقدار من السرعة ، سوف يستغرق إلكترونًا عادة 17 دقيقة لتمر عبر موصل طوله متر واحد.
سرعة الانجراف للإلكترونات
هذا يعني أنه إذا قمنا بتشغيل مصباح كهربائي ، فيجب أن يتم تشغيله بعد 17 دقيقة. ولكن يمكننا تشغيل المصباح الكهربائي في منزلنا بسرعة البرق بضغطة زر. هذا لأن سرعة التيار الكهربائي لا تعتمد على سرعة انجراف الإلكترون.
يتحرك التيار الكهربائي بسرعة الضوء. لم يتم تأسيسها مع سرعة انجراف الإلكترونات في المادة. وبالتالي ، قد تختلف في المادة ولكن سرعة التيار الكهربائي دائمًا ما يتم تحديدها على سرعة الضوء.
العلاقة بين كثافة التيار وسرعة الانجراف
تُعرَّف كثافة التيار بأنها المقدار الإجمالي للتيار المار لكل وحدة زمنية عبر كل وحدة مساحة مقطعية للموصل. من صيغة سرعة الانجراف ، يُعطى التيار كـ
أنا = nAvQ
لذلك ، يمكن حساب كثافة التيار J عند إعطاء مساحة المقطع العرضي وسرعة الانجراف على النحو التالي
J = I / A = nvQ
حيث v هي سرعة انجراف الإلكترونات. تقاس كثافة التيار بأمبير لكل متر مربع. وهكذا ، من الصيغة ، يمكن القول أن سرعة الانجراف لإلكترونات الموصل وكثافته الحالية تتناسب طرديًا مع بعضها البعض. مع زيادة سرعة الانجراف مع زيادة شدة المجال الكهربائي ، يزداد أيضًا التيار المتدفق عبر كل منطقة مقطعية.
يقع Rالابتهاج بين سرعة الانجراف ووقت الاسترخاء
في الموصل ، تتحرك الإلكترونات بشكل عشوائي كجزيئات غاز. خلال هذه الحركة ، يتصادمون مع بعضهم البعض. وقت استرخاء الإلكترون هو الوقت الذي يحتاجه الإلكترون للعودة إلى قيمته الأولية للتوازن بعد الاصطدام. وقت الاسترخاء هذا يتناسب طرديا مع شدة المجال الكهربائي الخارجي المطبقة. كلما زاد وقت المجال الكهربائي ، زاد الوقت الذي تحتاجه الإلكترونات للوصول إلى التوازن الأولي بعد إزالة المجال.
يُعرَّف وقت الاسترخاء أيضًا بأنه الوقت الذي يمكن للإلكترون أن يتحرك فيه بحرية بين الاصطدامات المتتالية مع أيونات أخرى.
عندما تكون القوة الناتجة عن المجال الكهربائي المطبق هي eE ، فيمكن إعطاء V كـ
V = (eE / m) T
حيث T هو وقت استرخاء الإلكترونات.
التعبير عن سرعة الانجراف
عندما إمكانية التنقل μ من حاملات الشحنة وقوة المجال الكهربائي المطبق E ، ثم قانون أوم من حيث سرعة الانجراف يمكن التعبير عنها
V = μE
وحدات S.I لحركة الإلكترون ماثنين/ ضد.
وحدات S.I للمجال الكهربائي E هي V / m.
وبالتالي فإن وحدة S.I لـ v هي m / s. تُعرف وحدة S.I هذه أيضًا باسم سرعة الانجراف المحوري.
وهكذا ، تتحرك الإلكترونات الموجودة في الموصل بشكل عشوائي حتى في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي. لكن السرعة الصافية التي تنتجها يتم إلغاؤها بسبب الاصطدامات العشوائية ، لذا فإن صافي التيار سيكون صفراً. وبالتالي ، فإن العلاقة بين التيار الكهربائي وكثافة التيار وسرعة الانجراف تساعد في التدفق الصحيح للتيار الكهربائي عبر سائق . ما هو تيار الانجراف؟
