Elektronas elektriniame lauke

Elektrono judėjimas elektriniame lauke yra vienas iš svarbiausių elektrotechnikos fizikinių procesų. pav. Pažiūrėkime, kaip tai vyksta vakuume. Pirmiausia panagrinėkime elektrono judėjimo nuo katodo iki anodo vienodame elektriniame lauke pavyzdį.

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta situacija, kai elektronas palieka neigiamą elektrodą (katodą) su nežymiai mažu pradiniu greičiu (linkęs į nulį) ir įeina vienodame elektriniame laukeyra tarp dviejų elektrodų.

Elektrodams taikoma pastovi įtampa U, o elektrinis laukas turi atitinkamą stiprumą E. Atstumas tarp elektrodų lygus d. Šiuo atveju elektroną iš lauko pusės veiks jėga F, kuri yra proporcinga elektrono krūviui ir lauko stiprumui:

Kadangi elektronas turi neigiamą krūvį, ši jėga bus nukreipta prieš lauko stiprumo vektorių E. Atitinkamai elektroną ta kryptimi pagreitins elektrinis laukas.

Elektrono patiriamas pagreitis yra proporcingas jį veikiančios jėgos F dydžiui ir atvirkščiai proporcingas elektrono masei m.Kadangi laukas yra vienodas, tam tikros nuotraukos pagreitis gali būti išreikštas taip:

Šioje formulėje elektrono krūvio ir jo masės santykis yra specifinis elektrono krūvis, dydis, kuris yra fizinė konstanta:

Taigi elektronas yra greitėjančiame elektriniame lauke, nes pradinio greičio v0 kryptis sutampa su jėgos F kryptimi lauko pusėje ir todėl elektronas juda tolygiai. Jei nėra kliūčių, jis eis taku d tarp elektrodų ir tam tikru greičiu v pasieks anodą (teigiamą elektrodą). Tuo momentu, kai elektronas pasieks anodą, jo kinetinė energija bus atitinkamai lygi:

Kadangi visame kelyje d elektronas yra greitinamas elektrinio lauko jėgų, šią kinetinę energiją jis įgyja dėl lauko pusėje veikiančios jėgos atliekamo darbo. Šis darbas lygus:

Tada lauke judančio elektrono įgytą kinetinę energiją galima rasti taip:

Tai yra, tai yra ne kas kita, kaip lauko jėgų darbas pagreitinti elektroną tarp taškų, kurių potencialų skirtumas U.

Tokiose situacijose elektrono energijai išreikšti patogu naudoti tokį matavimo vienetą kaip „elektronvoltas“, kuris lygus elektrono energijai esant 1 volto įtampai. Ir kadangi elektronų krūvis yra pastovus, tada 1 elektrovoltas taip pat yra pastovi vertė:

Iš ankstesnės formulės galite lengvai nustatyti elektrono greitį bet kuriame jo kelio taške, kai juda greitėjančiame elektriniame lauke, žinodami tik potencialų skirtumą, kurį jis praėjo greitindamas:

Kaip matome, elektrono greitis greitėjančiame lauke priklauso tik nuo potencialų skirtumo U tarp jo kelio pabaigos ir pradžios taško.

Įsivaizduokite, kad elektronas pradeda tolti nuo katodo nežymiu greičiu, o įtampa tarp katodo ir anodo yra 400 voltų. Tokiu atveju anodo pasiekimo momentu jo greitis bus lygus:

Taip pat nesunku nustatyti laiką, reikalingą elektronui nuvažiuoti atstumą d tarp elektrodų. Esant tolygiai pagreitėjusiam judėjimui iš ramybės, vidutinis greitis yra pusė galutinio greičio, tada pagreitinto skrydžio elektriniame lauke laikas bus lygus:

Dabar panagrinėkime pavyzdį, kai elektronas juda lėtėjančiame vienodame elektriniame lauke, ty laukas nukreiptas kaip anksčiau, bet elektronas pradeda judėti priešinga kryptimi – nuo ​​anodo link katodo.

Tarkime, kad elektronas išėjo iš anodo tam tikru pradiniu greičiu v ir iš pradžių pradėjo judėti katodo kryptimi. Tokiu atveju jėga F, veikianti elektroną iš elektrinio lauko pusės, bus nukreipta prieš elektros intensyvumo vektorių E — nuo katodo iki anodo.

Jis pradės mažinti pradinį elektrono greitį, tai yra, laukas sulėtins elektroną. Tai reiškia, kad elektronas tokiomis sąlygomis pradės tolygiai ir vienodai lėtai judėti. Situacija apibūdinama taip: „elektronas juda lėtėjančiame elektros lauke“.

Nuo anodo elektronas pradėjo judėti ne nuline kinetine energija, kuri lėtėjimo metu pradeda mažėti, nes energija dabar eikvojama įveikiant jėgą, veikiančią iš lauko elektroną.

Jei pradinė elektrono kinetinė energija, kai jis išeina iš anodo, būtų iš karto didesnė už energiją, kurią turi sunaudoti laukas, kad pagreitintų elektrono judėjimą nuo katodo prie anodo (kaip pirmame pavyzdyje), tada elektronas nukeliauti atstumą d ir galiausiai pasieks katodą, nepaisant stabdymo.

Jei pradinė elektrono kinetinė energija yra mažesnė už šią kritinę vertę, elektronas nepasieks katodo. Tam tikru momentu jis sustos, tada pradės tolygiai pagreitintą judėjimą atgal į anodą. Dėl to laukas sugrąžins į jį energiją, kuri buvo išleista stabdymo procese.

Bet ką daryti, jei elektronas skrieja greičiu v0 elektrinio lauko veikimo srityje stačiu kampu? Akivaizdu, kad jėga lauko pusėje šioje srityje yra nukreipta elektronui nuo katodo iki anodo, tai yra prieš elektrinio lauko stiprumo vektorių E.

Tai reiškia, kad dabar elektronas turi du judėjimo komponentus: pirmasis - greičiu v0 statmenai laukui, antrasis - tolygiai pagreitintas veikiant jėgai iš lauko pusės, nukreiptos į anodo pusę.

Pasirodo, įskridęs į veikimo lauką elektronas juda paraboline trajektorija. Tačiau išskridęs iš lauko veikimo srities, elektronas tęs tolygų judėjimą inercija tiesia trajektorija.