漂移速度

在物理学中，漂移速度是带电粒子（例如电子）在电场作用下在材料中达到的平均速度。 通常，导体中的电子将以费米速度随机传播，导致平均速度为零。 施加电场会在该随机运动中增加一个方向上的小净流量； 这就是漂移。

漂移速度与电流成正比。 在电阻材料中，它也与外部电场的大小成正比。 因此欧姆定律可以用漂移速度来解释。 该定律最基本的表述是：

u = μ E , {displaystyle u=mu E,}

其中 u 是漂移速度，μ 是材料的电子迁移率，E 是电场。 在 MKS 系统中，这些量的单位分别为 m/s、m2/(V·s) 和 V/m。

当在导体上施加电势差时，自由电子在与连续碰撞之间的电场相反的方向上获得速度（并且在沿场方向行进时失去速度），因此另外获得该方向上的速度分量 到它的随机热速度。 结果，电子有一定的小漂移速度，叠加在自由电子的随机运动上。 由于这种漂移速度，存在与场方向相反的电子净流。

用于评估载流子在恒定横截面积材料中的漂移速度的公式由下式给出：

u = j n q , {displaystyle u={j over nq},}

其中 u 是电子的漂移速度，j 是流经材料的电流密度，n 是载流子数密度，q 是载流子上的电荷。

这也可以写成：

j = n q u {displaystyle j=nqu}

但电流密度和漂移速度 j 和 u 实际上是矢量，因此这种关系通常写为：

J = ρ u {displaystyle mathbf {J} =rho mathbf {u} ,}

在哪里

ρ = n q {displaystyle rho =nq}

是电荷密度（SI 单位：库仑每立方米）。

根据正圆柱载流金属欧姆导体的基本性质，其中载流子是电子，该表达式可以改写为：

u = m σ Δ V ρ e f ℓ , {displaystyle u={m;sigma Delta V over rho efell },}

在哪里

• u 又是电子的漂移速度，单位为 m⋅s−1
• m为金属的分子质量，单位为kg
• σ 是介质在所考虑温度下的电导率，单位为 S/m。
• ΔV 是施加在导体两端的电压，单位为 V
• ρ 是导体的密度（每单位体积的质量），单位为 kg⋅m−3
• e是基本电荷，单位为C
• f是每个原子的自由电子数
• ℓ为导体长度，m

电最常通过铜线传导。 铜的密度为 8.94 g/cm3，原子量为 63.546 g/mol，因此有 140685.5 mol/m3。 在任何元素的一摩尔中，有 6.022×1023 个原子（阿伏加德罗数）。 因此，在 1 m3 铜中，大约有 8.5×1028 个原子（6.022×1023 × 140685.5 mol/m3）。 铜每个原子有一个自由电子，因此 n 等于每立方米 8.5×1028 个电子。

假设电流 I = 1 安培，导线直径为 2 毫米（半径 = 0.001 米）。 该导线的截面积 A 为 π × (0.001 m)2 = 3.14×10−6 m2 = 3.14 mm2。 一个电子的电荷为 q = −1.6×10−19 C。

因此，在此导线中，电子以 23 μm/s 的速率流动。 在 60 Hz 交流电下，这意味着在半个周期内，电子平均漂移小于 0.2 μm。 在上下文中，在 1 安培时，每个周期大约有 3×1016 个电子流过接触点两次。 但在每米电线约 1×1022 个可移动电子中，这是微不足道的一小部分。