Et elektron i et elektrisk felt

Bevegelsen av et elektron i et elektrisk felt er en av de viktigste fysiske prosessene for elektroteknikk. figur La oss se hvordan dette skjer i et vakuum. La oss først vurdere et eksempel på bevegelsen av et elektron fra katoden til anoden i et jevnt elektrisk felt.

Figuren under viser en situasjon hvor elektron forlater den negative elektroden (katoden) med en ubetydelig liten starthastighet (tenger mot null) og går inn i et jevnt elektrisk feltfinnes mellom to elektroder.

En konstant spenning U påføres elektrodene, og det elektriske feltet har en tilsvarende styrke E. Avstanden mellom elektrodene er lik d. I dette tilfellet vil en kraft F virke på elektronet fra siden av feltet, som er proporsjonal med ladningen til elektronet og styrken til feltet:

Siden elektronet har en negativ ladning, vil denne kraften bli rettet mot feltstyrkevektoren E. Følgelig vil elektronet akselereres i den retningen av det elektriske feltet.

Akselerasjonen som elektronet opplever er proporsjonal med størrelsen på kraften F som virker på det og omvendt proporsjonal med elektronets masse m.Siden feltet er ensartet, kan akselerasjonen for et gitt bilde uttrykkes som:

I denne formelen er forholdet mellom elektronets ladning og massen elektronets spesifikke ladning, en mengde som er en fysisk konstant:

Så elektronet er i et akselererende elektrisk felt fordi retningen til starthastigheten v0 sammenfaller med retningen til kraften F på siden av feltet og derfor beveger elektronet seg jevnt. Hvis det ikke er noen hindringer, vil den gå veien d mellom elektrodene og nå anoden (positiv elektrode) med en viss hastighet v. I det øyeblikket elektronet når anoden, vil dets kinetiske energi være tilsvarende lik:

Siden langs hele banen d blir elektronet akselerert av kreftene i det elektriske feltet, får det denne kinetiske energien som et resultat av arbeidet som gjøres av kraften som virker på siden av feltet. Dette arbeidet er lik:

Da kan den kinetiske energien tilegnet av elektronet som beveger seg i feltet bli funnet som følger:

Det vil si at det ikke er noe annet enn feltkreftenes arbeid å akselerere et elektron mellom punkter med en potensialforskjell U.

I slike situasjoner, for å uttrykke energien til et elektron, er det praktisk å bruke en slik måleenhet som "elektronvolt", som er lik energien til et elektron ved en spenning på 1 volt. Og siden elektronladningen er konstant, så er 1 elektrovolt også en konstant verdi:

Fra den forrige formelen kan du enkelt bestemme hastigheten til elektronet når som helst på banen når du beveger deg i et akselererende elektrisk felt, bare vite potensialforskjellen som det passerte ved akselerasjon:

Som vi kan se, avhenger hastigheten til et elektron i et akselererende felt bare av potensialforskjellen U mellom endepunktet og startpunktet for banen.

Tenk deg at elektronet begynner å bevege seg bort fra katoden med ubetydelig hastighet, og spenningen mellom katoden og anoden er 400 volt. I dette tilfellet, når anoden nås, vil hastigheten være lik:

Det er også enkelt å bestemme tiden det tar for elektronet å reise avstanden d mellom elektrodene. Med jevnt akselerert bevegelse fra hvile, er gjennomsnittshastigheten funnet å være halvparten av slutthastigheten, da vil tiden for akselerert flyging i et elektrisk felt være lik:

La oss nå se på et eksempel når et elektron beveger seg i et deselererende jevnt elektrisk felt, det vil si at feltet er rettet som før, men elektronet begynner å bevege seg i motsatt retning - fra anoden til katoden.

Anta at elektronet forlot anoden med en viss starthastighet v og begynte å bevege seg i katodens retning. I dette tilfellet vil kraften F som virker på elektronet fra siden av det elektriske feltet bli rettet mot den elektriske intensitetsvektoren E — fra katoden til anoden.

Det vil begynne å redusere starthastigheten til elektronet, det vil si at feltet vil bremse elektronet. Dette betyr at elektronet under disse forholdene vil begynne å bevege seg jevnt og jevnt sakte. Situasjonen beskrives som følger: «et elektron beveger seg i et decelererende elektrisk felt».

Fra anoden begynte elektronet å bevege seg med ikke-null kinetisk energi, som begynner å avta under retardasjonen, siden energien nå brukes på å overvinne kraften som virker fra feltet på elektronet.

Hvis den innledende kinetiske energien til elektronet når det går ut av anoden umiddelbart var større enn energien som må brukes av feltet for å akselerere elektronet når det beveger seg fra katoden til anoden (som i det første eksemplet), så ville elektronet reise en avstand d og vil til slutt nå katoden til tross for bremsing.

Hvis den innledende kinetiske energien til elektronet er mindre enn denne kritiske verdien, vil ikke elektronet nå katoden. På et visst tidspunkt vil den stoppe, og deretter begynne en jevnt akselerert bevegelse tilbake til anoden. Som et resultat vil feltet returnere energien som ble brukt i stoppprosessen.

Men hva om et elektron flyr med hastighet v0 i området for virkningen av et elektrisk felt i rette vinkler? Det er klart at kraften på siden av feltet i dette området er rettet for elektronet fra katoden til anoden, det vil si mot den elektriske feltstyrkevektoren E.

Dette betyr at nå har elektronet to bevegelseskomponenter: den første - med en hastighet v0 vinkelrett på feltet, den andre - jevnt akselerert under påvirkning av kraften fra siden av feltet rettet mot anoden.

Det viser seg at, etter å ha fløyet inn i handlingsfeltet, beveger elektronet seg langs en parabolsk bane. Men etter å ha flydd ut av feltets virkningsområde, vil elektronet fortsette sin jevne bevegelse ved treghet langs en rett linjebane.