Isang electron sa isang electric field

Ang paggalaw ng isang electron sa isang electric field ay isa sa pinakamahalagang pisikal na proseso para sa electrical engineering. figure Tingnan natin kung paano ito nangyayari sa isang vacuum. Isaalang-alang muna natin ang isang halimbawa ng paggalaw ng isang elektron mula sa katod patungo sa anode sa isang pare-parehong larangan ng kuryente.

Ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng isang sitwasyon kung saan elektron iniiwan ang negatibong elektrod (cathode) na may maliit na paunang tulin (tending to zero) at pumapasok sa isang pare-parehong electric fieldnaroroon sa pagitan ng dalawang electrodes.

Ang isang pare-parehong boltahe U ay inilalapat sa mga electrodes, at ang electric field ay may katumbas na lakas E. Ang distansya sa pagitan ng mga electrodes ay katumbas ng d. Sa kasong ito, ang puwersa F ay kikilos sa electron mula sa gilid ng field, na proporsyonal sa singil ng electron at sa lakas ng field:

Dahil ang electron ay may negatibong singil, ang puwersang ito ay ididirekta laban sa field strength vector E. Alinsunod dito, ang electron ay mapabilis sa direksyong iyon ng electric field.

Ang acceleration na nararanasan ng electron ay proporsyonal sa magnitude ng force F na kumikilos dito at inversely proportional sa mass ng electron na m.Dahil pare-pareho ang field, ang acceleration para sa isang ibinigay na larawan ay maaaring ipahayag bilang:

Sa formula na ito, ang ratio ng singil ng elektron sa masa nito ay ang tiyak na singil ng elektron, isang dami na isang pisikal na pare-pareho:

Kaya ang electron ay nasa isang accelerating electric field dahil ang direksyon ng paunang bilis v0 ay tumutugma sa direksyon ng puwersa F sa gilid ng field at samakatuwid ang electron ay gumagalaw nang pantay. Kung walang mga hadlang, lalakbayin nito ang landas d sa pagitan ng mga electrodes at maabot ang anode (positibong elektrod) na may tiyak na bilis v. Sa sandaling maabot ng electron ang anode, ang kinetic energy nito ay magiging katumbas ng:

Dahil sa kahabaan ng buong landas d ang electron ay pinabilis ng mga puwersa ng electric field, nakukuha nito ang kinetic energy bilang resulta ng gawaing ginawa ng puwersa na kumikilos sa gilid ng field. Ang gawaing ito ay katumbas ng:

Pagkatapos ay ang kinetic energy na nakuha ng electron na gumagalaw sa field ay matatagpuan tulad ng sumusunod:

Iyon ay, ito ay walang iba kundi ang gawain ng mga puwersa ng field na pabilisin ang isang electron sa pagitan ng mga puntos na may potensyal na pagkakaiba U.

Sa ganitong mga sitwasyon, upang ipahayag ang enerhiya ng isang electron, ito ay maginhawa upang gamitin ang naturang yunit ng pagsukat bilang ang "electron volt", na katumbas ng enerhiya ng isang electron sa isang boltahe ng 1 volt. At dahil ang singil ng elektron ay pare-pareho, kung gayon ang 1 electrovolt ay pare-pareho din ang halaga:

Mula sa nakaraang formula, madali mong matukoy ang bilis ng electron sa anumang punto sa landas nito kapag gumagalaw sa isang nagpapabilis na electric field, alam lamang ang potensyal na pagkakaiba na naipasa nito kapag nagpapabilis:

Tulad ng nakikita natin, ang bilis ng isang electron sa isang accelerating field ay nakasalalay lamang sa potensyal na pagkakaiba U sa pagitan ng dulong punto at ang panimulang punto ng landas nito.

Isipin na ang elektron ay nagsisimulang lumayo mula sa katod na may hindi gaanong bilis, at ang boltahe sa pagitan ng katod at anode ay 400 volts. Sa kasong ito, sa sandaling maabot ang anode, ang bilis nito ay magiging katumbas ng:

Madali ring matukoy ang oras na kinakailangan para sa electron na maglakbay sa distansya d sa pagitan ng mga electrodes. Sa pantay na pinabilis na paggalaw mula sa pahinga, ang average na bilis ay makikita na kalahati ng huling bilis, at ang oras ng pinabilis na paglipad sa isang electric field ay magiging katumbas ng:

Isaalang-alang natin ngayon ang isang halimbawa kapag ang isang elektron ay gumagalaw sa isang decelerating na unipormeng electric field.

Ipagpalagay na ang electron ay umalis sa anode na may ilang paunang bilis v at sa simula ay nagsimulang lumipat sa direksyon ng katod. Sa kasong ito, ang puwersa F na kumikilos sa electron mula sa gilid ng electric field ay ididirekta laban sa electric intensity vector E — mula sa cathode hanggang sa anode.

Magsisimula itong bawasan ang paunang bilis ng elektron, iyon ay, ang patlang ay magpapabagal sa elektron. Nangangahulugan ito na ang elektron sa ilalim ng mga kundisyong ito ay magsisimulang gumalaw nang pantay at pantay na mabagal. Ang sitwasyon ay inilarawan bilang mga sumusunod: "isang electron gumagalaw sa isang decelerating electric field."

Mula sa anode, ang electron ay nagsimulang gumalaw na may non-zero kinetic energy, na nagsisimulang bumaba sa panahon ng deceleration, dahil ang enerhiya ay ginagastos na ngayon sa pagtagumpayan ng puwersa na kumikilos mula sa field sa electron.

Kung ang paunang kinetic energy ng electron sa paglabas nito sa anode ay kaagad na mas malaki kaysa sa enerhiya na dapat gamitin ng field upang mapabilis ang electron sa paglipat mula sa cathode patungo sa anode (tulad ng sa unang halimbawa), kung gayon ang electron ay maglakbay ng malayo d at kalaunan ay makakarating sa cathode sa kabila ng pagpepreno.

Kung ang paunang kinetic energy ng electron ay mas mababa sa kritikal na halaga na ito, kung gayon ang electron ay hindi makakarating sa katod. Sa isang tiyak na punto ito ay titigil, pagkatapos ay magsisimula ng isang pantay na pinabilis na paggalaw pabalik sa anode. Bilang resulta, ibabalik dito ng field ang enerhiya na ginugol sa proseso ng paghinto.

Ngunit paano kung ang isang electron ay lumipad nang may bilis na v0 sa rehiyon ng pagkilos ng isang electric field sa tamang mga anggulo? Malinaw, ang puwersa sa gilid ng field sa rehiyong ito ay nakadirekta para sa electron mula sa cathode hanggang sa anode, iyon ay, laban sa electric field strength vector E.

Nangangahulugan ito na ngayon ang electron ay may dalawang bahagi ng paggalaw: ang una — na may bilis na v0 patayo sa field, ang pangalawa — pantay na pinabilis sa ilalim ng pagkilos ng puwersa mula sa gilid ng field na nakadirekta patungo sa anode.

Lumalabas na, na lumipad sa larangan ng pagkilos, ang elektron ay gumagalaw sa isang parabolic na tilapon. Ngunit pagkatapos lumipad palabas sa rehiyon ng pagkilos ng field, ang elektron ay magpapatuloy sa pare-parehong paggalaw nito sa pamamagitan ng pagkawalang-galaw sa isang tuwid na guhit na tilapon.