Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Що спільного між мікрохвильовою піччю, електронним мікроскопом та старим ЕЛТ-телевізором? Усередині цих пристроїв знаходиться катодно-променева трубка, що випускає електрони, які потім прискорюються електростатичним полем.
Електричні заряди взаємодіють один з одним: заряди однакового знака відштовхуються один від одного, заряди протилежного знака притягуються один до одного. Ці взаємодії опосередковуються електричним полем. Він створюється кожним зарядом, і заряд взаємодіє з ним.Електричне поле описується векторною величиною E - напруженістю електричного поля. Ця величина окреслюється відношення сили F, якою поле діє електричний заряд q, до величини цього заряду: E=F / q .
Тому, якщо електричний заряд q виявляється в електричному полі, яке створюється іншими зарядами, на нього діє сила: F=qE . [2]
Мал. 1. Вплив зовнішнього електричного поля на позитивні та негативні заряди
Згідно з другим законом Ньютона дія сили викликає рух з прискоренням: a=F / m . [3]
Якщо об'єднати рівняння (2) і (3), отримаємо рівняння для прискорення зарядженої частинки в електричному полі: a=qE / m . [4]Слід пам'ятати, що в загальному випадку це прискорення не є постійним, оскільки величина напруженості електричного поля може залежати від положення. Це буде місце, наприклад, для електричного поля, створюваного точковим зарядом, напруженість якого зменшується з квадратом відстані від заряду.
Розглянемо приклад, коли електричне поле скрізь постійно (так зване однорідне поле). Приблизно така справа всередині плоского конденсатора, тобто. між двома провідними зарядженими пластинами, розташованими паралельно один одному.
Мал. 2. Схема системи відхилення електронного пучка. UC - джерело електричної напруги.
До двох пластин прикладається електрична напруга UC, у результаті пластини заряджаються: верхня - позитивним електричним зарядом, а нижня - негативним. Лінії електричного поля перпендикулярні пластинам і спрямовані від позитивно зарядженої пластини до негативно зарядженої.
Тепер припустимо, що електрон падає в область між пластинами зі швидкістю v0, паралельної поверхні пластин. На початку електрон має тільки компонент швидкості vx, але електричне поле змушує електрон прискорюватися.Оскільки електричне поле, а значить і сила, перпендикулярні компоненту vx, вона залишатиметься постійною, як і у разі горизонтальної проекції у гравітаційному полі. Однак компонент vyзміниться, тому що в напрямку y діє сила Fy=qE.
Оскільки всередині плоского конденсатора поле однорідне, сила буде постійною. Тому прискорення також буде незмінним. Тому ми можемо визначити тимчасову залежність компонента швидкості: vy=at .
Використовуючи рівняння (4), ми можемо написати, що значення цієї складової буде: vy=( qEt ) / m . [6]
Зверніть увагу, що електричне поле спрямоване вниз, але заряд електрона негативний. Це означає, що сила діє вгору, тому складова швидкості vy буде спрямована вгору.
Знаючи довжину пластин, ми можемо визначити час t, необхідний електрону для проходження ділянки між пластинами: t=l / v0[7], де l - довжина пластин і , Отже, x - складова положення електрона на виході з області між пластинами.Нарешті, об'єднавши рівняння (6) та (7), ми отримаємо значення компонента vy :
vy=qEl / mv0 .
Цю систему можна використовувати для відхилення шляху електронів або інших заряджених частинок. Її також можна використовувати як детектор заряджених частинок. Вивчаючи відхилення частки, ми можемо знайти відношення її заряду до маси і, таким чином, визначити, з яким типом частинки ми маємо справу.
Тепер розглянемо систему, яка використовується для надання електронам величезних швидкостей, так звану електронну гармату.
Електронна гармата
Мал. 3. Схема електронної гармати
Першим компонентом електронної гармати є катод (K), який є шматком провідника (наприклад, вольфрамового дроту), нагрітий до дуже високої температури. Катод є джерелом електронів, які вириваються із нього завдяки так званій термоемісії.Однак швидкість електронів, що відриваються від катода, дуже мала.
Другий компонент системи, анод (A), відповідає за їх прискорення. У найпростішому випадку це може бути металевий диск з отвором. Якщо до катода та анода докласти електричну напругу (UA), між ними виникне електричне поле. Якщо електричний потенціал анода вищий за електричний потенціал катода, тоді електричне поле буде спрямоване від анода до катода. Електрони (e), оскільки мають негативний заряд, будуть притягуватися до анода. Вони досягнуть своєї максимальної швидкості (V) в центрі анодного отвору, тому що електричний потенціал там найвищий.
У цьому випадку електричне поле між катодом і анодом неоднорідне, тому електрон рухатиметься з неоднорідним рухом, тобто зі змінним прискоренням. Однак ми можемо визначити швидкість електрона, що пролітає через отвір анода, якщо знаємо електричну напругу UA, підключену між катодом та анодом.Електрична напруга або різниця потенціалів, помножена на величину заряду, дорівнює роботі, виконаній електричним полем для прискорення електричного заряду. Якщо припустити, що швидкість електрона безпосередньо у катода зневажливо мала порівняно з максимальною швидкістю, то ця робота дорівнює кінетичній енергії електрона:
eUA=( mev2) / 2 , деe - маса електрона, а e - заряд електрона (так званий елементарний заряд). На цьому ми можемо визначити значення максимальної швидкості електрона:
v=2eUA/ me .
Електронну гармату можна знайти в багатьох пристроях, наприклад, мікрохвильовій печі, рентгенівській трубці, ламповому підсилювачі для електрогітари або електронному мікроскопі. Значення напруги UA для прискорення електронів залежить від області застосування і може змінюватись від кількох сотень вольт у разі лампових підсилювачів, до значень в діапазоні 2 - 5 кВ у мікрохвильовій печі, і навіть до 100 - 300 кВ у трансмісійному електронному мікроскопі.
Використана література
- 1. - М.: Радянська енциклопедія, 1988.
- 2. Іродов І.Є. Основні закони електромагнетизму. - М.: Вища школа, 1983.
- 3. Матвєєв А.М. Електрика і магнетизм. - М.: Вища школа, 1983.