Kecepatan Alir

Untuk memahami konsep kecepatan alir, mari kita pelajari suatu model aliran elektron yang dinamakan model gas elektron. Dalam model ini suatu konduktor dapat dianggap terdiri dari deretan atom-atom yang mengandung elektron bebas. Elektron-elektron ini bebas bergerak dalam konduktor seperti molekul-molekul gas bergerak bebas di udara. Elektron-elektron ini bebas bergerak di udara. Elektron-elektron ini bergerak sangat cepat, dengan kecepatan rata-rata 10⁶ m/s.

Gambar 1: model gas elektron

Di dalam konduktor elektron-elektron ini gerakannya acak akibat pemantulan (penghamburan) oleh atom-atom konduktor (gambar 1). Akibat kecepatan resultan dalam arah sumbu x nya sama dengan nol  (elektron tidak mengalir, tidak ada arus terdeteksi).

Namun situasi berubah ketika batang konduktor diberi beda potensial, gaya listrik menyebabkan elektron-elektron bergerak dalam arah sesuai arah medan listrik (arah sumbu x). Bagi elektron tidak terlalu mudah untuk bergerak lurus, karena adanya atom-atom logam konduktor. Elektron akan menumbuk atom-atom dan bergerak zig-zag (gambar 2). Walaupun bergerak zigzag elektron ini masih mempunyai kecepatan resultan dalam arah berlawanan dengan medan listrik (walaupun kecil). Kecepatan ini yang disebut dengan kecepatan alir yang diberi simbol v_d. Besar kecepatan alir ini sekitar 10^-4 m/s.

Besar Kecepatan Alir

Dari persamaan I_rata-rata = nqv_dA, kerapatan arus ditulis sebagai

Di mana J dan v_d bergerak searah untuk muatan positif dan berlawanan arah untuk muatan negatif. Untuk menemukan kecepatan gerak elektron, pertama kita perhatikan bahwa elektron dalam konduktor mengalami gaya listrik F = –eE, yang memberikan percepatan sebagai

Gambar 2: Elektron bergerak dalam sebuah konduktor

Untuk menemukan kecepatan gerak elektron, pertama kita perhatikan bahwa elektron dalam konduktor mengalami gaya listrik F = –eE, yang memberikan percepatan sebagai

Jika v₀ merupakan kecepatan elektron sesaat setelah dengan salah satu atom maka kecepatan elektron sebelum menumbuk atom lain adalah

Dengan t menyatakan waktu antara dua tumbukan.

Sekarang kita ambil harga rata-rata v terhadap kemungkinan t dan semua kemungkinan v_o dari semua elektron dalam atom. Vektor v₀, walaupun besar namun arahnya acak sehingga jika kita rata-ratakan nilainya nol. Jika τ adalah waktu rata-rata antara dua tumbukan (diratakan terhadap semua elektron), maka besarnya kecepatan rata-rata elektron-elektron ini adalah

 Kecepatan rata-rata inilah yang merupakan kecepatan alir.