Elektrik alanındaki bir elektron

Bir elektronun elektrik alanındaki hareketi, elektrik mühendisliği için en önemli fiziksel süreçlerden biridir. Bunun bir boşlukta nasıl gerçekleştiğini görelim. Önce bir elektronun katottan anoda düzgün bir elektrik alanı içindeki hareketine bir örnek verelim.

Aşağıdaki şekil bir durumu göstermektedir elektron Negatif elektrodu (katot) ihmal edilebilecek kadar küçük bir başlangıç ​​hızıyla (sıfıra eğilimli) terk eder ve düzgün bir elektrik alanındaiki elektrot arasında bulunur.

Elektrotlara sabit bir U voltajı uygulanır ve elektrik alanın buna karşılık gelen bir gücü E vardır. Elektrotlar arasındaki mesafe d'ye eşittir. Bu durumda, elektronun yükü ve alanın gücü ile orantılı olan alanın yanından bir F kuvveti elektrona etki edecektir:

Elektronun negatif bir yükü olduğundan, bu kuvvet alan kuvveti vektörü E'ye yöneltilecektir. Buna göre elektron, elektrik alan tarafından o yönde hızlandırılacaktır.

Elektronun deneyimlediği ivme, ona etki eden F kuvvetinin büyüklüğü ile orantılıdır ve elektronun kütlesi m ile ters orantılıdır.Alan tekdüze olduğundan, belirli bir resim için ivme şu şekilde ifade edilebilir:

Bu formülde, elektronun yükünün kütlesine oranı elektronun özgül yüküdür, fiziksel bir sabit olan bir niceliktir:

Böylece elektron hızlanan bir elektrik alanındadır çünkü v0 başlangıç ​​hızının yönü alan tarafındaki F kuvvetinin yönüyle çakışır ve bu nedenle elektron düzgün hareket eder. Herhangi bir engel yoksa elektrotlar arasında d yolunu katedecek ve belirli bir v hızı ile anoda (pozitif elektrot) ulaşacaktır. Elektronun anoda ulaştığı anda kinetik enerjisi şuna eşit olacaktır:

Elektron tüm d yolu boyunca elektrik alan kuvvetleri tarafından hızlandırıldığı için, bu kinetik enerjiyi alan tarafında etki eden kuvvetin yaptığı iş sonucunda elde eder. Bu iş şuna eşittir:

Daha sonra alanda hareket eden elektronun kazandığı kinetik enerji şu şekilde bulunabilir:

Yani, bir elektronu U potansiyel farkı olan noktalar arasında hızlandırmak alan kuvvetlerinin çalışmasından başka bir şey değildir.

Bu gibi durumlarda, bir elektronun enerjisini ifade etmek için, 1 voltluk bir voltajda bir elektronun enerjisine eşit olan "elektron volt" gibi bir ölçü birimi kullanmak uygundur. Ve elektron yükü sabit olduğundan, 1 elektrovolt da sabit bir değerdir:

Önceki formülden, yalnızca hızlanırken geçtiği potansiyel farkı bilerek, hızlanan bir elektrik alanında hareket ederken elektronun yolunun herhangi bir noktasındaki hızını kolayca belirleyebilirsiniz:

Gördüğümüz gibi, hızlanan bir alandaki bir elektronun hızı, yalnızca yolunun bitiş noktası ile başlangıç ​​noktası arasındaki U potansiyel farkına bağlıdır.

Elektronun ihmal edilebilir bir hızla katottan uzaklaşmaya başladığını ve katot ile anot arasındaki voltajın 400 volt olduğunu hayal edin. Bu durumda, anoda ulaşma anında hızı şuna eşit olacaktır:

Elektronun elektrotlar arasında d mesafesini kat etmesi için gereken süreyi belirlemek de kolaydır. Durağan halden düzgün hızlandırılmış hareketle, ortalama hızın son hızın yarısı olduğu bulunur, ardından bir elektrik alanında hızlandırılmış uçuş süresi şuna eşit olacaktır:

Şimdi bir elektronun yavaşlayan düzgün bir elektrik alanında hareket ettiği bir örneği ele alalım, yani alan daha önce olduğu gibi yönlendirilir, ancak elektron ters yönde hareket etmeye başlar - anottan katoda.

Elektronun anottan v başlangıç ​​hızıyla ayrıldığını ve başlangıçta katot yönünde hareket etmeye başladığını varsayalım. Bu durumda, elektrik alanının yanından elektrona etki eden F kuvveti, katottan anoda doğru elektrik yoğunluk vektörü E'ye doğru yönlendirilecektir.

Elektronun başlangıç ​​hızını düşürmeye başlayacak, yani alan elektronu yavaşlatacaktır. Bu, bu koşullar altındaki elektronun düzgün ve düzgün yavaş hareket etmeye başlayacağı anlamına gelir. Durum şu şekilde tarif edilir: "Bir elektron, yavaşlayan bir elektrik alanında hareket eder."

Anottan elektron sıfır olmayan kinetik enerjiyle hareket etmeye başladı ve bu enerji artık alandan elektrona etki eden kuvveti yenmek için harcandığından yavaşlama sırasında azalmaya başladı.

Elektronun anottan çıkarken ilk kinetik enerjisi, elektronun katottan anoda hareketini hızlandırmak için alan tarafından harcanması gereken enerjiden hemen daha büyükse (ilk örnekte olduğu gibi), o zaman elektron d kadar yol alır ve sonunda frene rağmen katoda ulaşır.

Elektronun başlangıç ​​kinetik enerjisi bu kritik değerin altında ise elektron katoda ulaşamaz. Belirli bir noktada duracak, ardından anoda doğru düzgün bir şekilde hızlandırılmış bir hareket başlatacaktır. Sonuç olarak alan, durma sürecinde harcanan enerjiyi kendisine geri verecektir.

Peki ya bir elektron, bir elektrik alanın etki bölgesinde dik açılarla v0 hızıyla uçarsa? Açıkçası, bu bölgedeki alan tarafındaki kuvvet, katottan anoda elektron için, yani elektrik alan şiddet vektörü E'ye yöneliktir.

Bu, şimdi elektronun iki hareket bileşenine sahip olduğu anlamına gelir: birincisi - alana dik v0 hızıyla, ikincisi - alanın anoda doğru yönlendirilen tarafından kuvvetin etkisi altında düzgün bir şekilde hızlanır.

Etki alanına giren elektronun parabolik bir yörünge boyunca hareket ettiği ortaya çıktı. Ancak, alanın etki bölgesinden çıktıktan sonra, elektron düz bir yörünge boyunca ataletle tekdüze hareketini sürdürecektir.