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2023-07-29T17:47:44Z

Elektronen in metallischen Leitern: typo

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Die '''Driftgeschwindigkeit''' <math>\vec{v}^*</math> ist die [[durchschnitt]]liche [[Geschwindigkeit]] bewegter [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] aufgrund eines äußeren Feldes.
In [[elektrische Leitfähigkeit|elektrisch leitfähigen]] Medien ist die Driftgeschwindigkeit die Geschwindigkeit, die auf die Wirkung [[elektrisches Feld|elektrischer Felder]] (gekennzeichnet durch ihre [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]] <math>E</math>) zurückzuführen ist. Solche Medien können z. B. [[metall]]ische [[Elektrischer Leiter|Leiter]], [[Halbleiter]], [[Lösung (Chemie)|Lösungen]] von [[Elektrolyte]]n oder auch [[Plasma (Physik)|Plasmen]] sein.
Die [[Beweglichkeit (Physik)|Beweglichkeit]] <math>\mu</math> ist der [[Proportionalitätsfaktor]] zwischen dem anliegenden elektrischen Feld <math>E</math> und der Driftgeschwindigkeit:

:<math>\vec{v}^* = \mu \cdot \vec{E}</math>

Z. B. in [[Suspension (Chemie)|Suspensionen]] ist die Driftgeschwindigkeit diejenige (gemittelte) Geschwindigkeit, die ein Teilchen beim Anlegen einer äußeren Kraft erreicht. Dann ist die Driftgeschwindigkeit gegeben durch

:<math>\vec{v}^* = \mu \cdot \vec{F}</math>.

Je nach [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]] der driftenden [[Teilchen]] (z. B. [[Elektron]]en) oder [[Quasiteilchen]] (z. B. [[Defektelektron|Löcher]]) wird die Driftgeschwindigkeit interpretiert als mittlere Geschwindigkeit in bzw. gegen die Feldrichtung.

== Elektronen in metallischen Leitern ==
In einem [[metall]]ischen [[Leiter_(Physik) #Elektrischer_Leiter|Leiter]] bewegen sich [[Leitungselektronen]] ohne Einwirkung von außen mit Geschwindigkeiten von ca. 10<sup>6</sup> m/s (siehe [[Fermi-Verteilung #Fermi-Verteilung_bei_endlichen_und_sehr_hohen_Temperaturen|Fermi-Verteilung]]). Diese Bewegung ist eine ungerichtete [[thermische Bewegung]], die im Mittel keinen [[Elektrischer Strom|Strom]] bewirkt. Wirkt auf diese Leitungselektronen jedoch ein elektrisches Feld, hervorgerufen beispielsweise durch eine von außen angelegte [[Elektrische Spannung|Spannung]], so werden die thermischen Bewegungen durch die Driftgeschwindigkeit überlagert. Diese liegt meist im Bereich von 10<sup>−4</sup> m/s = 0,1 mm/s und ist damit vergleichsweise klein. Entlang des [[Kristall]]s kommt es zu Wechselwirkungen der Elektronen mit [[Phonon]]en und [[Störstelle|Störungen]] im [[Kristallgitter|Gitter]], wodurch ein Teil der Energie der Elektronen in Form von [[Joulesche Wärme|joulescher Wärme]] an das Gitter abgegeben wird.

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

Zur Beschreibung der Elektronenbewegung durch den Kristall kann man die ''mittlere Driftgeschwindigkeit'' <math>v^* = \mu \cdot E</math> heranziehen. Die [[Beweglichkeit (Physik)|Beweglichkeit]] <math>\mu</math> ist in Metallen abhängig von der [[Stoffreinheit|Reinheit]] des Kristalls, vor allem aber von der Anregung von Gitterschwingungen durch thermische Energie ([[Temperatur]]).

[[Wechselstrom]] (der eine zeitlich [[oszillierend]]e elektrische Feldstärke aufweist) erzeugt im zeitlichen Mittelwert keinen Ladungstransport, da die Elektronen, dem elektrischen Feld folgend, an Ort und Stelle hin und her schwingen.

== Elektronen in Gasen ==
Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in [[ionisiert]]en [[Gas]]en ([[Plasma (Physik)|Plasmen]]) lässt sich zum Beispiel mit [[Driftkammer]]n messen (VDC, engl. {{lang|en|''velocity drift chamber''}}).

== Elektrophorese ==
{{Hauptartikel|Elektrophorese}}
Geladene [[kolloid]]ale Teilchen wie [[Protein]]e oder [[Nukleinsäure]]n wandern bei der Elektrophorese mit der Driftgeschwindigkeit.

== Literatur ==
* David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: ''Physik.'' Wiley-VCH, 2005, ISBN 3-527-40366-3.

[[Kategorie:Festkörperphysik]]

Driftgeschwindigkeit - Versionsgeschichte

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