سرعة وتيار الانجراف وحركة الإلكترون - Drift Velocity Drift Current and Electron Mobility

ما هو تيار الانجراف؟

كما نعلم أنّه بسبب حركة الإلكترونات يتم إنتاج التيار، لذلك، يُعرف التيار الناتج عن حركة انجراف الإلكترونات باسم “تيار الانجراف” (drift current)، لذلك يسمّى التيار الناتج عن حركة انجراف الإلكترونات داخل موصل مجهَّد كهربائيًا بتيار الانجراف.

ما هي سرعة الانجراف؟

تتحرك الجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات في اتجاهات عشوائية طوال الوقت، عندما تتعرض الإلكترونات لمجال كهربائي فإنّها تتحرك بشكل عشوائي، لكنّها تنجرف ببطء في اتجاه واحد، في اتجاه المجال الكهربائي المطبق، تُعرف السرعة الصافية التي تنجرف بها هذه الإلكترونات “بسرعة الانجراف” (drift velocity)، يمكن تعريف سرعة الانجراف على النحو التالي:

“متوسط السرعة التي حققتها الجسيمات المشحونة “مثل الإلكترونات” في مادة بسبب مجال كهربائي”. وحدة (SI) لسرعة الانجراف متر/ ثانية (m/s)، يتم قياسه أيضًا بالمتر المربع (m²) / (V.s).

السرعة الصافية للإلكترونات:

كل مادة فوق درجة حرارة الصفر المطلق والتي يمكنها إجراء مثل المعادن ستحتوي على بعض الإلكترونات الحرة التي تتحرك بسرعة عشوائية، عندما يتم تطبيق جهد حول موصل، فإنّ الإلكترونات تميل إلى التحرك نحو الجهد الموجب، ولكن عندما تتحرك، فإنّها ستصطدم بالذرات وسترتد أو تفقد بعض طاقتها الحركية.

ومع ذلك، بسبب المجال الكهربائي، سوف تتسارع الإلكترونات مرة أخرى، وستستمر هذه التصادمات العشوائية في الحدوث ولكن نظرًا لأنّ التسارع دائمًا في نفس الاتجاه بسبب المجال الكهربائي، فإنّ السرعة الصافية للإلكترونات ستكون أيضًا في نفس اتجاه.

معادلة حساب سرعة الانجراف:

يمكننا استخدام الصيغة التالية لحساب سرعة الانجراف:

I = nAvQ

حيث:

I – هو التيار المتدفق عبر الموصل الذي يقاس بالأمبير.

n – هو عدد الإلكترونات.

A – هي مساحة المقطع العرضي للموصل والتي يتم قياسها بالمتر المربع (m²).

v – هي سرعة انجراف الإلكترونات.

Q – هي شحنة الإلكترون التي تُقاس بوحدة كولوم.

في حالة زيادة شدة المجال الكهربائي، يتم تسريع الإلكترونات بسرعة أكبر نحو الاتجاه الموجب، عكس اتجاه المجال الكهربائي المطبق.

حركة الإلكترون – Mobility of an electron:

في كل معدن، توجد الإلكترونات الحرة دائمًا في درجة حرارة الغرفة، علميًا، يجب أن توجد بعض الإلكترونات الحرة على الأقل في أي درجة حرارة فوق الصفر المطلق عندما تكون المادة موصلة، على سبيل المثال، تتحرك هذه الإلكترونات الحرة داخل الموصل بشكل عشوائي وغالبًا ما تصطدم بذرات أثقل، وتغير اتجاهها في كل مرة، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي ثابت على الموصل، تتحرك الإلكترونات نحو الطرف الموجب لفرق الجهد الكهربائي المطبق، ومع ذلك، فإنّ حركة الإلكترونات هذه لا تحدث مباشرة.

في الطريق إلى الجهد الموجب، تتصادم الإلكترونات باستمرار مع الذرات وترتد بشكل تعسفي، أثناء التصادم، تفقد الإلكترونات جزءًا من طاقتها الحركية ويتم تسريعها مرة أخرى، فرق الجهد الموجب يحدث بسبب وجود مجال كهربائي واستعادة طاقتها الحركية، حتى مع الاصطدامات اللاحقة، تفقد الإلكترونات طاقتها الحركية جزئيًا بنفس الطريقة.

وبالتالي، لا يمكن للمجال الكهربائي المطبق أن يوقف الحركة العشوائية للإلكترونات داخل الموصل، على الرغم من أنّ حركات الإلكترونات تظل عشوائية في وجود المجال الكهربائي المطبق، فإنّ هذا يؤدي إلى حركة واسعة للإلكترونات نحو الأطراف الموجبة.

تُعرف سرعة انجراف الإلكترون لوحدة المجال الكهربائي باسم حركة الإلكترون (mobility of the electron)، يمكن حساب حركة الإلكترون من خلال:

μ=Vd / E

العلاقة بين سرعة الانجراف والتيار الكهربائي:

تكون الحركة دائمًا كمية موجبة وتعتمد على طبيعة حامل الشحنة، وتكون سرعة انجراف الإلكترون صغيرة جدًا عادةً تقريبًا (10^-3ms^-1)، وبالتالي، عند هذه السرعة سوف يستغرق الأمر تقريبًا، (17) دقيقة لتمرير الإلكترونات عبر موصل طوله متر واحد، ولكن من المدهش أنّه يمكننا تشغيل الأجهزة الإلكترونية في منزلنا بسرعات البرق بنقرة زر، وذلك لأنّ التيار الكهربائي لا يتم إنشاؤه بسرعة الانجراف ولكن بسرعة الضوء.

بمجرد إنشاء المجال الكهربائي، يبدأ التيار بالتدفق داخل الموصل بسرعة الضوء وليس بالسرعة التي تنجرف بها الإلكترونات، وبالتالي هناك تأخير ضئيل بين المدخلات والمخرجات في تشغيل لمبة كهربائية.

العلاقة بين سرعة الانجراف وكثافة التيار:

يمكننا تحديد كثافة التيار على أنّها المقدار الإجمالي للتيار الذي يمر عبر موصل مقطعي للوحدة في وقت الوحدة، من سرعة الانجراف، نعرف صيغة سرعة الانجراف على النحو التالي:

I = nAvQ

J = I/A = nVQ

حيث:

J – هي كثافة التيار المقاسة بالأمبير لكل متر مربع.

v – هي سرعة انجراف الإلكترونات.

لذلك، يمكننا القول أنّ سرعة انجراف الإلكترونات وكثافته التيار تتناسب طرديًا مع بعضها البعض، أيضًا، عندما تزداد شدة المجال الكهربائي، تزداد سرعة الانجراف، ويزداد أيضًا التيار المتدفق عبر الموصل.