En elektron i et elektrisk felt

Bevægelsen af ​​en elektron i et elektrisk felt er en af ​​de vigtigste fysiske processer for elektroteknik. figur Lad os se, hvordan dette sker i et vakuum. Lad os først overveje et eksempel på bevægelsen af ​​en elektron fra katoden til anoden i et ensartet elektrisk felt.

Figuren nedenfor viser en situation, hvor elektron forlader den negative elektrode (katode) med en ubetydelig lille begyndelseshastighed (tender mod nul) og går ind i et ensartet elektrisk feltfindes mellem to elektroder.

En konstant spænding U påføres elektroderne, og det elektriske felt har en tilsvarende styrke E. Afstanden mellem elektroderne er lig med d. I dette tilfælde vil en kraft F virke på elektronen fra siden af ​​feltet, som er proportional med elektronens ladning og feltets styrke:

Da elektronen har en negativ ladning, vil denne kraft blive rettet mod feltstyrkevektoren E. Derfor vil elektronen blive accelereret i den retning af det elektriske felt.

Den acceleration, som elektronen oplever, er proportional med størrelsen af ​​kraften F, der virker på den, og omvendt proportional med elektronens masse m.Da feltet er ensartet, kan accelerationen for et givet billede udtrykkes som:

I denne formel er forholdet mellem elektronens ladning og dens masse elektronens specifikke ladning, en mængde, der er en fysisk konstant:

Så elektronen er i et accelererende elektrisk felt, fordi retningen af ​​starthastigheden v0 falder sammen med retningen af ​​kraften F på siden af ​​feltet, og derfor bevæger elektronen sig ensartet. Hvis der ikke er nogen forhindringer, vil den køre vejen d mellem elektroderne og nå anoden (positiv elektrode) med en vis hastighed v. I det øjeblik, hvor elektronen når anoden, vil dens kinetiske energi være tilsvarende lig med:

Da elektronen langs hele vejen d accelereres af det elektriske felts kræfter, tilegner den sig denne kinetiske energi som et resultat af arbejdet udført af kraften, der virker på siden af ​​feltet. Dette arbejde er lig med:

Så kan den kinetiske energi erhvervet af elektronen, der bevæger sig i feltet, findes som følger:

Det vil sige, at det ikke er andet end feltkræfternes arbejde at accelerere en elektron mellem punkter med en potentialforskel U.

I sådanne situationer, for at udtrykke energien af ​​en elektron, er det praktisk at bruge en sådan måleenhed som "elektronvolt", som er lig med energien af ​​en elektron ved en spænding på 1 volt. Og da elektronladningen er konstant, så er 1 elektrovolt også en konstant værdi:

Fra den foregående formel kan du nemt bestemme elektronens hastighed på ethvert punkt på dens vej, når du bevæger dig i et accelererende elektrisk felt, idet du kun kender den potentielle forskel, som den passerede, når den accelererede:

Som vi kan se, afhænger en elektrons hastighed i et accelererende felt kun af potentialforskellen U mellem slutpunktet og startpunktet for dens vej.

Forestil dig, at elektronen begynder at bevæge sig væk fra katoden med ubetydelig hastighed, og spændingen mellem katoden og anoden er 400 volt. I dette tilfælde vil dens hastighed i det øjeblik, den når anoden, være lig med:

Det er også let at bestemme den tid, det tager for elektronen at rejse afstanden d mellem elektroderne. Med ensartet accelereret bevægelse fra hvile, er gennemsnitshastigheden fundet at være halvdelen af ​​sluthastigheden, så vil tiden for accelereret flyvning i et elektrisk felt være lig med:

Lad os nu se på et eksempel, når en elektron bevæger sig i et decelererende ensartet elektrisk felt, det vil sige, at feltet er rettet som før, men elektronen begynder at bevæge sig i den modsatte retning - fra anoden til katoden.

Antag, at elektronen forlod anoden med en vis begyndelseshastighed v og begyndte at bevæge sig i katodens retning. I dette tilfælde vil kraften F, der virker på elektronen fra siden af ​​det elektriske felt, blive rettet mod den elektriske intensitetsvektor E - fra katoden til anoden.

Det vil begynde at reducere elektronens begyndelseshastighed, det vil sige, at feltet vil bremse elektronen. Det betyder, at elektronen under disse forhold vil begynde at bevæge sig ensartet og ensartet langsomt. Situationen beskrives som følger: "en elektron bevæger sig i et decelererende elektrisk felt."

Fra anoden begyndte elektronen at bevæge sig med ikke-nul kinetisk energi, som begynder at falde under decelerationen, da energien nu bruges på at overvinde kraften, der virker fra feltet på elektronen.

Hvis elektronens indledende kinetiske energi, da den forlader anoden, umiddelbart var større end den energi, der skal bruges af feltet for at accelerere elektronen ved at bevæge sig fra katoden til anoden (som i det første eksempel), så ville elektronen rejse en afstand d og vil til sidst nå katoden trods bremsning.

Hvis den indledende kinetiske energi af elektronen er mindre end denne kritiske værdi, vil elektronen ikke nå katoden. På et bestemt tidspunkt vil den stoppe, og derefter begynde en ensartet accelereret bevægelse tilbage til anoden. Som et resultat vil feltet returnere den energi, der blev brugt i stopprocessen.

Men hvad nu hvis en elektron flyver med hastighed v0 i området for virkningen af ​​et elektrisk felt i rette vinkler? Det er klart, at kraften på siden af ​​feltet i dette område er rettet for elektronen fra katoden til anoden, det vil sige mod den elektriske feltstyrkevektor E.

Det betyder, at elektronen nu har to bevægelseskomponenter: den første - med en hastighed v0 vinkelret på feltet, den anden - ensartet accelereret under påvirkning af kraften fra den side af feltet, der er rettet mod anoden.

Det viser sig, at elektronen efter at være fløjet ind i handlingsfeltet bevæger sig langs en parabolsk bane. Men efter at have fløjet ud af feltets virkningsområde, vil elektronen fortsætte sin ensartede bevægelse ved inerti langs en lige linjebane.