Elektron elektriväljas

Elektroni liikumine elektriväljas on elektrotehnika jaoks üks olulisemaid füüsikalisi protsesse. Joonis Vaatame, kuidas see vaakumis juhtub. Vaatleme esmalt näidet elektroni liikumisest katoodilt anoodile ühtlases elektriväljas.

Allolev joonis näitab olukorda, kus elektron lahkub negatiivselt elektroodilt (katoodilt) tühiselt väikese algkiirusega (kipub nullile) ja siseneb ühtlases elektriväljaskahe elektroodi vahel.

Elektroodidele rakendatakse konstantset pinget U ja elektriväljal on vastav tugevus E. Elektroodide vaheline kaugus on võrdne d-ga. Sel juhul mõjub elektronile välja küljelt jõud F, mis on võrdeline elektroni laengu ja välja tugevusega:

Kuna elektronil on negatiivne laeng, on see jõud suunatud väljatugevuse vektori E vastu. Vastavalt sellele kiirendab elektron selles suunas elektrivälja toimel.

Elektroni kogetav kiirendus on võrdeline talle mõjuva jõu F suurusega ja pöördvõrdeline elektroni massiga m.Kuna väli on ühtlane, saab antud pildi kiirendust väljendada järgmiselt:

Selles valemis on elektroni laengu ja selle massi suhe elektroni erilaeng, suurus, mis on füüsikaline konstant:

Seega on elektron kiirenevas elektriväljas, kuna algkiiruse v0 suund langeb kokku väljapoolse jõu F suunaga ja seetõttu liigub elektron ühtlaselt. Kui takistusi pole, läbib see elektroodide vahelist teed d ja jõuab anoodile (positiivne elektrood) teatud kiirusega v. Hetkel, kui elektron jõuab anoodini, on selle kineetiline energia vastavalt võrdne:

Kuna kogu teekonnal d kiirendavad elektroni elektrivälja jõud, siis omandab ta selle kineetilise energia välja küljele mõjuva jõu poolt tehtava töö tulemusena. See töö on võrdne:

Siis saab väljal liikuva elektroni omandatud kineetilise energia leida järgmiselt:

See tähendab, et elektroni kiirendamine punktide vahel, mille potentsiaalide erinevus on U, pole midagi muud kui väljajõudude töö.

Sellistes olukordades on elektroni energia väljendamiseks mugav kasutada sellist mõõtühikut nagu "elektronvolt", mis võrdub elektroni energiaga 1 volti pingel. Ja kuna elektronide laeng on konstantne, siis on ka 1 elektrovolt konstantne väärtus:

Eelmisest valemist saate kiirenevas elektriväljas liikudes hõlpsasti määrata elektroni kiiruse mis tahes teepunktis, teades ainult potentsiaalide erinevust, mille ta kiirendades läbis:

Nagu näeme, sõltub elektroni kiirus kiirendusväljas ainult tema tee lõpp- ja alguspunkti potentsiaalide erinevusest U.

Kujutage ette, et elektron hakkab katoodist tühise kiirusega eemalduma ning katoodi ja anoodi vaheline pinge on 400 volti. Sel juhul on selle kiirus anoodile jõudmise hetkel võrdne:

Samuti on lihtne määrata aega, mis kulub elektronil elektroodide vahelise vahemaa d läbimiseks. Ühtlaselt kiirendatud liikumise korral puhkeolekust leitakse, et keskmine kiirus on pool lõppkiirusest, siis on kiirendatud lennu aeg elektriväljas võrdne:

Vaatleme nüüd näidet, kui elektron liigub aeglustavas ühtlases elektriväljas ehk väli on suunatud nagu varem, kuid elektron hakkab liikuma vastupidises suunas — anoodilt katoodile.

Oletame, et elektron lahkus anoodilt mingi algkiirusega v ja hakkas alguses liikuma katoodi suunas. Sel juhul suunatakse elektronile elektrivälja poolelt mõjuv jõud F vastu elektriintensiivsusvektorit E — katoodilt anoodile.

See hakkab vähendama elektroni algkiirust, see tähendab, et väli aeglustab elektroni. See tähendab, et nendes tingimustes hakkab elektron ühtlaselt ja ühtlaselt aeglaselt liikuma. Olukorda kirjeldatakse järgmiselt: "elektron liigub aeglustavas elektriväljas."

Anoodilt hakkas elektron liikuma nullist erineva kineetilise energiaga, mis hakkab aeglustuse ajal vähenema, kuna energia kulub nüüd väljast elektronile mõjuva jõu ületamiseks.

Kui elektroni esialgne kineetiline energia anoodist väljumisel oleks kohe suurem kui energia, mida väli peab kulutama, et kiirendada elektroni liikumist katoodilt anoodile (nagu esimeses näites), siis elektron läbida vahemaa d ja jõuab lõpuks vaatamata pidurdamisele katoodile.

Kui elektroni esialgne kineetiline energia on sellest kriitilisest väärtusest väiksem, siis elektron katoodini ei jõua. Teatud hetkel see peatub, seejärel alustab ühtlaselt kiirendatud liikumist tagasi anoodile. Selle tulemusel tagastab väli sellele peatumisprotsessis kulutatud energia.

Aga mis siis, kui elektron lendab kiirusega v0 täisnurga all oleva elektrivälja toimepiirkonnas? Ilmselgelt on selles piirkonnas välja küljel olev jõud suunatud elektronile katoodilt anoodile, st vastu elektrivälja tugevuse vektorit E.

See tähendab, et elektronil on nüüd kaks liikumiskomponenti: esimene — kiirusega v0, mis on väljaga risti, teine ​​— ühtlaselt kiirendatud jõu mõjul välja anoodile suunatud küljelt.

Selgub, et pärast toimevälja lennamist liigub elektron mööda paraboolset trajektoori. Kuid pärast välja toimepiirkonnast välja lendamist jätkab elektron ühtlast liikumist inertsist mööda sirgjoonelist trajektoori.