इलेक्ट्रॉन के अपवाह (drift) और अपवाह वेग को समझाइए। चालक के अनुप्रस्थ काट के क्षेत्रफल के पदों में विद्युत धारा का समीकरण व्युत्पन्न कीजिए।

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(N/A) $1$. इलेक्ट्रॉन का अपवाह (Drift): एक चालक में,मुक्त इलेक्ट्रॉन तापीय ऊर्जा के कारण यादृच्छिक गति करते हैं और धनात्मक आयनों से टकराते हैं। उनका औसत वेग शून्य होता है। जब एक बाहरी विद्युत क्षेत्र $E$ लगाया जाता है,तो ये इलेक्ट्रॉन $F = -eE$ बल का अनुभव करते हैं,जिससे वे विद्युत क्षेत्र की विपरीत दिशा में धीरे-धीरे अपवाहित (drift) होते हैं। इस शुद्ध धीमी गति को अपवाह कहा जाता है।
$2$. अपवाह वेग $(v_d)$: इसे बाहरी विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में चालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्राप्त औसत वेग के रूप में परिभाषित किया गया है। यदि $\tau$ औसत विश्रांति काल (relaxation time) है,तो $v_d = -\frac{eE\tau}{m}$ होता है।
$3$. विद्युत धारा $(I)$ की व्युत्पत्ति: $A$ अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल और $L$ लंबाई वाले एक चालक पर विचार करें। मान लीजिए $n$ मुक्त इलेक्ट्रॉनों का संख्या घनत्व है। $A \Delta x$ आयतन में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या $n A \Delta x$ है। चूंकि $\Delta x = v_d \Delta t$,इसलिए $\Delta t$ समय में अनुप्रस्थ काट से गुजरने वाला कुल आवेश $\Delta Q = (n A v_d \Delta t) e$ है। विद्युत धारा $I = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = n e A v_d$ द्वारा दी जाती है।

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$(a)$ चित्र में दिखाए गए परिपथ पर विचार करें। शून्य धारा की प्रारंभिक स्थिति (ऊष्मीय गति को अनदेखा करें) से अपवाह वेग (drift velocity) की स्थिति तक पहुँचने के लिए इलेक्ट्रॉनों द्वारा कितनी ऊर्जा अवशोषित की जाती है?
$(b)$ इलेक्ट्रॉन प्रति सेकंड $R I^2$ की दर से ऊष्मीय ऊर्जा में ऊर्जा मुक्त करते हैं। समस्या $(a)$ में प्राप्त ऊर्जा के साथ किस समय पैमाने को जोड़ा जा सकता है? दिया गया है: $n = 10^{29} \, m^{-3}$,परिपथ की लंबाई $l = 10 \, cm$,अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल $A = (1 \, mm)^2$.

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