ET4-06 – Elektrisches Feld – Driftgeschwindigkeit [Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen]

In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker was es mit der Driftgeschwindigkeit von Elektronen in elektrischen Leitern bei Auftreten eines elektrischen Feldern auf sich hat. Dabei gehen wir auch ausführlich auf die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen in elektrischen Leitern ein.

Für ein optimales Verständnis helfen dir drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET4-Elektrische Felder

Merk’s dir!

“Unter dieser Geschwindigkeit von Elektronen versteht man die durchschnittliche Geschwindigkeit von Elektronen infolge eines äußeren elektrischen Feldes.”

Driftgeschwindigkeit - Elektrische Felder — Driftgeschwindigkeit – Elektrische Felder

Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen in elektrischen Leitern

Bevor uns aber der Thema, zuwenden schauen wir uns zuerst an, wie sich Elektronen in elektrischen Leitern verhalten und wie deren Geschwindigkeit bestimmt wird.

Wenn man einen metallischen Leiter vorliegen hat und dieser zudem unterschiedlichen Querschnitte aufweist, so verändert sich bei anliegender elektrische Stromstärke je nach Leiterquerschnitt die Bewegungsgeschwindigkeit $\vec{v}$ der Elektronen.

Leiter mit unterschiedlichen Querschnitten

Bewegungsgeschwindigkeit - Bewegung von Ladungsträgern — Bewegungsgeschwindigkeit – Bewegung von Ladungsträgern

Die zugehörige Gleichung zur Beschreibung der Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen $\vec{v}$ muss also sowohl die elektrische Stromstärke als auch die Querschnittsfläche berücksichtigen.

$\vec{v} = \frac{I}{A}$

Kennzahlen:

$\vec{v} =$ Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen

sowie

$I =$ elektrische Stromstärke

sowie

$A =$ Querschnittsfläche des Leiters.

Merk’s dir!

An dieser Gleichung kann man ablesen, dass mit sinkender Querschnittsfläche des Leiters und konstanter Stromstärke die Bewegungsgeschwindigkeit der
Elektronen zunimmt.

Driftgeschwindigkeit von Elektronen bei elektrischen Feldern – Metallischer Leiter

Unter der Driftgeschwindigkeit von Elektronen versteht man die durchschnittliche Geschwindigkeit von Elektronen infolge eines äußeren elektrischen Feldes. In einem elektrischen Leiter wie Metallen stellt diese Geschwindigkeit den Wert dar, welcher auf die Wirkung eines elektrischen Feldes zurückzuführen ist.

Mehr bringt nicht immer mehr…

Je stärker das elektrische Feld, umso höher die Driftgeschwindigkeit. Jedoch ist die mittlere Driftgeschwindigkeit nach oben hin begrenzt. Möchten wir dennoch, wie oben in der Gleichung (nach Umstellen) geschildert, die Stromstärke in einem Leiter erhöhen, gelingt uns dies nur durch eine Erhöhung der Querschnittsfläche.

Kennzeichnen können wir dies mit der Angabe der elektrischen Feldstärke $\vec{E}$ .

Hinzukommt die Beweglichkeit $\mu$ als Proportionalitätsfaktor von Driftgeschwindigkeit und von elektrischer Feldstärke. Als Gleichung sieht das dann wie folgt aus:

$\vec{v}^* = \mu \cdot \vec{E}$

Kennzahlen:

$\vec{v}^* =$ Driftgeschwindigkeit der Elektronen

sowie

$\mu =$ Proportionalitätsfaktor

sowie

$\vec{E} =$ Elektrische Feldstärke

Driftgeschwindigkeit von Elektronen bei elektrischen Feldern – Suspensionen

Handelt es sich nicht um einen metallischen Leiter, sondern um eine Suspension, so stellt die Driftgeschwindigkeit die Geschwindigkeit dar, welche ein Elektron beim Anlegen einer Kraft von außen, wie einer Spannung, erreicht. Somit ändert sich die vorherige Gleichung zu:

$\vec{v}^* = \mu \cdot \vec{F}$

Kennzahlen:

$\vec{v}^* =$ Driftgeschwindigkeit der Elektronen

sowie

$\mu =$ Proportionalitätsfaktor

sowie

$\vec{F} =$ Äußere Kraft (Feldkraft)

Merk’s dir!

Das Vorzeichen der driftenden Teilchen kann sowohl positiv, als auch negativ sein. Daher beschreibt man die Driftgeschwindigkeit auch als gemittelte Geschwindigkeit in oder gegen die Feldrichtung.

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du jetzt bereits einiges über elektrische Felder, die Größen in elektrischen Feldern sowie die Driftgeschwindigkeit und Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen, erklären wir dir im nächsten Kurstext nochmals ausführlich das Elektrische Feld mit Hilfe von Beispielen. Im anschließenden Kursabschnitt erfährst du dann alles Relevante zum Thema Polarisation und Induktion.

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