Driftgeschwindigkeit


Driftgeschwindigkeit

Die Driftgeschwindigkeit ist der Anteil der Geschwindigkeit von bewegten Ladungsträgern in elektrisch leitfähigen Medien, der auf die Wirkung von elektrischen Feldern (die durch ihre Feldstärke $ E $ gekennzeichnet sind) zurückzuführen ist. Solche Medien können z. B. metallische Leiter, Halbleiter, Lösungen von Elektrolyten, oder auch Plasmen sein. Je nach Vorzeichen der driftenden Teilchen oder Quasiteilchen (z.B. Elektronen oder Löcher) wird die Driftgeschwindigkeit als mittlere Geschwindigkeit in bzw. gegen die Feldrichtung interpretiert.

In einem metallischen Leiter bewegen sich Leitungselektronen ohne Einwirkung von außen mit Geschwindigkeiten von ca. 106 m/s (siehe Fermi-Verteilung). Diese Bewegung ist eine ungerichtete thermische Bewegung, die im Mittel keinen Strom bewirkt. Wirkt auf diese Leitungselektronen ein elektrisches Feld, beispielsweise hervorgerufen durch eine von außen angelegte Spannung, werden die thermischen Bewegungen durch die Driftgeschwindigkeit überlagert. Diese liegt meist im Bereich von 10−4 m/s und ist damit vergleichsweise klein.

Je stärker das angelegte elektrische Feld ist, desto höher ist die Driftgeschwindigkeit. Die mittlere Driftgeschwindigkeit ist jedoch limitiert. Ist dieses Limit erreicht, ist eine Erhöhung der Stromstärke nur durch eine Erhöhung des Querschnittes erreichbar. Wird bei gleichem Querschnitt, also gleicher Anzahl der verfügbaren Leitungselektronen, die Stromdichte erhöht, werden immer größere Teile der eingesetzten Energie durch „Zusammenstöße“ auf atomarer Ebene zu thermischer Energie in Form von Gitterschwingung umgewandelt – so lange bis sich der Leiter verflüssigt bzw. zerstört wird. Dieses Prinzip wird z. B. bei Schmelzsicherungen eingesetzt.

Entlang des Kristalls kommt es zu Wechselwirkungen mit Phononen und Störungen im Gitter, wodurch ein Teil der Energie der Elektronen in Form von Joulescher Wärme an das Gitter abgegeben wird. Zur Beschreibung der Elektronenbewegung durch den Kristall kann man nun die mittlere Driftgeschwindigkeit v* heranziehen

$ v^* = \mu E $.

In Metallen ist die Beweglichkeit $ \mu $ abhängig von der Reinheit des Kristalls, vor allem aber von der Anregung von Gitterschwingungen durch thermische Energie (Temperatur).

Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in ionisierten Gasen (Plasmen) lässt sich zum Beispiel mit speziellen Driftkammern (sog. VDC, d. h. velocity drift chamber) messen.

Literatur