Strömungsgeschwindigkeit / Driftgeschwindigkeit Elektronen

Mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bzw. Driftgeschwindigkeit von Elektronen befassen wir uns in diesem Artikel. Dabei wird eine passende Formel erläutert und zum besseren Verständnis ein Beispiel bzw. eine Aufgabe vorgerechnet. Dieser Artikel gehört zu unserem Bereich Elektrotechnik bzw. Physik.

Wie schnell sind Elektronen in einem Draht unterwegs? Genau dafür sehen wir uns hier die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. die mittlere Driftgeschwindigkeit von Elektronen genauer an. Rechnet man dabei ein paar realistische Beispiele durch, so sieht man, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Elektronen erstaunlich langsam ist, oft unter 1 mm / s. Um dies zu verstehen sehen wir uns jedoch zunächst die Formeln an und wenden uns dann einem Beispiel zu.

Formel Strömungsgeschwindigkeit / Driftgeschwindigkeit:

Es gilt:

• "v" ist die mittlere Elektronengeschwindigkeit in Millimeter pro Sekunde (mm/s).
• "I" ist der elektrische Strom in Ampere (A).
• "e" die Elementarladung mit e = 1,602 · 10^-19 As.
• "n" die Anzahl der freien Ladungsträger mit 1 / mm³.
• "A" ist der Leitungsquerschnitt in Quadratmillimeter (mm²).

Hinweise:

• Die eben genannten Einheiten entsprechen teilweise nicht den SI-Einheiten, werden so jedoch oft verwendet.
• Bei "n" - also der Anzahl der Ladungsträger - muss man den Wert für den jeweiligen Werkstoff aus einer Tabelle entnehmen (oder dieser ist in der Aufgabenstellung gegeben).

Strömungsgeschwindigkeit / Driftgeschwindigkeit berechnen

Zum besseren Verständnis sehen wir uns noch ein Beispiel zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. Driftgeschwindigkeit von Elektronen an.

Beispiel 1:

Ein Leiter weist einen Querschnitt von 1 mm² auf. In ihm fließen 5 Ampere Strom. Als Material wird Kupfer verwendet (für Kupfer gilt n = 8,45 · 10²² cm^-3). Berechne die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. mittlere Driftgeschwindigkeit.

Lösung: Wir setzen den Strom mit I = 5 A ein. Die Elementarladung beträgt e = 1,602 · 10^-19 As. In der Aufgabenstellung wird n = 8,45 · 10²² cm^-3 angegeben, auch dies setzen wir natürlich ein. Der Querschnitt ist ebenfalls angegeben, also A = 1 mm². Dabei tritt ein kleines Problem mit den Einheiten auf. Der Umrechnungsfaktor beträgt 1000 und wir können damit "n" umrechnen. Werden Einheiten zwischen Zähler und Nenner umgeschrieben tauscht man das Vorzeichen. Der Rest kann per Taschenrechner bestimmt werden. Wichtig: Wer alles auf einmal eingibt muss um den Nenner eine Klammer setzen, sonst stimmt das Ergebnis vom Taschenrechner nicht.

Links:

• Zur Elektrotechnik-Übersicht
• Zur Physik-Übersicht