Что такое дрейфовая скорость?
Дрейфовая скорость — это средняя скорость, которую приобретают носители заряда (как правило, электроны) в проводнике под действием приложенного электрического поля. Хотя отдельные электроны движутся хаотично и с огромными скоростями, их суммарное смещение в направлении тока оказывается на удивление медленным — нередко всего доли миллиметра в секунду. Этот калькулятор определяет дрейфовую скорость по силе тока, концентрации носителей заряда, площади поперечного сечения проводника и заряду каждого носителя.
Как пользоваться калькулятором
Введите силу тока I в амперах, концентрацию носителей заряда n (число носителей в одном кубическом метре — около \(8{,}5\times10^{28}\) для меди), площадь поперечного сечения A в квадратных метрах и заряд одного носителя q (\(1{,}602\times10^{-19}\) Кл для электрона). Калькулятор выдаст дрейфовую скорость в метрах в секунду. В любом поле можно использовать экспоненциальную запись, например 8.5e28.
Разбор формулы
Соотношение вытекает из определения тока как переноса заряда за единицу времени:
$$v_d = \frac{\text{Current }I}{\text{Density }n \cdot \text{Area }A \cdot \text{Charge }q}$$Знаменатель n·A·q здесь — это весь подвижный заряд, приходящийся на единицу длины проводника. Разделив силу тока на эту величину, мы получаем среднюю скорость, с которой должны двигаться носители, чтобы обеспечить такой ток.
Пример расчёта
Возьмём медный провод, по которому течёт ток 1 А, при \(n = 8{,}5\times10^{28}\ /\text{м}^3\), \(A = 1\times10^{-6}\ \text{м}^2\) (1 мм²) и \(q = 1{,}602\times10^{-19}\) Кл. Знаменатель равен
$$8{,}5\times10^{28} \times 1\times10^{-6} \times 1{,}602\times10^{-19} \approx 13617.$$Тогда
$$v_d = \frac{1}{13617} \approx 7{,}34\times10^{-5}\ \text{м/с}$$— то есть около 0,073 мм/с, что в разы медленнее, чем распространение сигнала, идущего почти со скоростью света.
Частые вопросы
Почему дрейфовая скорость такая маленькая? Потому что концентрация носителей колоссальна: множество электронов, каждый из которых движется медленно, всё равно переносят значительный ток.
Отличается ли это от скорости сигнала? Да — электрический сигнал распространяется почти со скоростью света, тогда как сами электроны дрейфуют очень медленно.
Какое значение q использовать? Для электронов берите элементарный заряд \(1{,}602\times10^{-19}\) Кл; для ионов — соответствующее кратное значение.
