Elektrons elektriskajā laukā
Elektrona kustība elektriskajā laukā ir viens no svarīgākajiem elektrotehnikas fiziskajiem procesiem. attēls Apskatīsim, kā tas notiek vakuumā. Vispirms apskatīsim piemēru elektrona kustībai no katoda uz anodu vienmērīgā elektriskā laukā.
Zemāk redzamajā attēlā parādīta situācija, kad elektrons atstāj negatīvo elektrodu (katodu) ar nenozīmīgi mazu sākuma ātrumu (tiecas uz nulli) un ieiet vienmērīgā elektriskajā laukāatrodas starp diviem elektrodiem.
Uz elektrodiem tiek pielikts pastāvīgs spriegums U, un elektriskajam laukam ir atbilstošs stiprums E. Attālums starp elektrodiem ir vienāds ar d. Šajā gadījumā uz elektronu no lauka puses iedarbosies spēks F, kas ir proporcionāls elektrona lādiņam un lauka stiprumam:
Tā kā elektronam ir negatīvs lādiņš, šis spēks tiks vērsts pret lauka intensitātes vektoru E. Attiecīgi elektronu šajā virzienā paātrina elektriskais lauks.
Paātrinājums, ko izjūt elektrons, ir proporcionāls spēka F lielumam, kas uz to iedarbojas, un apgriezti proporcionāls elektrona masai m.Tā kā lauks ir vienmērīgs, paātrinājumu konkrētam attēlam var izteikt šādi:
Šajā formulā elektrona lādiņa attiecība pret tā masu ir elektrona īpatnējais lādiņš, lielums, kas ir fizikālā konstante:
Tātad elektrons atrodas paātrinātā elektriskajā laukā, jo sākotnējā ātruma virziens v0 sakrīt ar spēka F virzienu lauka pusē un tāpēc elektrons pārvietojas vienmērīgi. Ja nav šķēršļu, tas pārvietosies pa ceļu d starp elektrodiem un ar noteiktu ātrumu v sasniegs anodu (pozitīvo elektrodu). Brīdī, kad elektrons sasniedz anodu, tā kinētiskā enerģija būs attiecīgi vienāda ar:
Tā kā visā ceļā d elektronu paātrina elektriskā lauka spēki, tad šo kinētisko enerģiju tas iegūst lauka malā iedarbojošā spēka veiktā darba rezultātā. Šis darbs ir vienāds ar:
Tad laukā kustīgā elektrona iegūto kinētisko enerģiju var atrast šādi:
Tas ir, tas nav nekas vairāk kā lauka spēku darbs, lai paātrinātu elektronu starp punktiem ar potenciālu starpību U.
Šādās situācijās, lai izteiktu elektrona enerģiju, ir ērti izmantot tādu mērvienību kā "elektronu volts", kas ir vienāda ar elektrona enerģiju pie 1 volta sprieguma. Un tā kā elektronu lādiņš ir nemainīgs, tad arī 1 elektrovolts ir nemainīga vērtība:
No iepriekšējās formulas jūs varat viegli noteikt elektrona ātrumu jebkurā tā ceļa punktā, pārvietojoties paātrinātā elektriskajā laukā, zinot tikai potenciālu starpību, ko tas pagājis, paātrinot:
Kā redzam, elektrona ātrums paātrinājuma laukā ir atkarīgs tikai no potenciālu starpības U starp tā ceļa beigu un sākuma punktu.
Iedomājieties, ka elektrons sāk attālināties no katoda ar nenozīmīgu ātrumu, un spriegums starp katodu un anodu ir 400 volti. Šajā gadījumā anoda sasniegšanas brīdī tā ātrums būs vienāds ar:
Ir arī viegli noteikt laiku, kas nepieciešams, lai elektrons nobrauktu attālumu d starp elektrodiem. Ar vienmērīgi paātrinātu kustību no miera stāvokļa tiek konstatēts, ka vidējais ātrums ir puse no gala ātruma, tad paātrinātā lidojuma laiks elektriskajā laukā būs vienāds ar:
Tagad aplūkosim piemēru, kad elektrons kustas palēnināmā vienmērīgā elektriskajā laukā, proti, lauks ir vērsts tāpat kā iepriekš, bet elektrons sāk kustēties pretējā virzienā — no anoda uz katodu.
Pieņemsim, ka elektrons atstāja anodu ar noteiktu sākotnējo ātrumu v un sākotnēji sāka kustēties katoda virzienā. Šajā gadījumā spēks F, kas iedarbojas uz elektronu no elektriskā lauka puses, tiks vērsts pret elektriskās intensitātes vektoru E — no katoda uz anodu.
Tas sāks samazināt elektrona sākotnējo ātrumu, tas ir, lauks palēninās elektronu. Tas nozīmē, ka elektrons šādos apstākļos sāks kustēties vienmērīgi un vienmērīgi lēni. Situācija ir aprakstīta šādi: "elektrons pārvietojas palēnināmā elektriskajā laukā."
No anoda elektrons sāka kustēties ar kinētisko enerģiju, kas nav nulle, kas palēninājuma laikā sāk samazināties, jo enerģija tagad tiek iztērēta, lai pārvarētu spēku, kas iedarbojas no lauka uz elektronu.
Ja elektrona sākotnējā kinētiskā enerģija, kad tas iziet no anoda, uzreiz būtu lielāka par enerģiju, kas jāiztērē laukam, lai paātrinātu elektrona pārvietošanos no katoda uz anodu (kā pirmajā piemērā), tad elektrons nobrauc attālumu d un galu galā sasniegs katodu, neskatoties uz bremzēšanu.
Ja elektrona sākotnējā kinētiskā enerģija ir mazāka par šo kritisko vērtību, tad elektrons nesasniegs katodu. Noteiktā brīdī tas apstāsies, pēc tam sāks vienmērīgi paātrinātu kustību atpakaļ uz anodu. Rezultātā lauks atgriezīs tajā enerģiju, kas tika iztērēta apstāšanās procesā.
Bet ko darīt, ja elektrons lido ar ātrumu v0 elektriskā lauka darbības zonā taisnā leņķī? Acīmredzot spēks lauka pusē šajā reģionā ir vērsts uz elektronu no katoda uz anodu, tas ir, pret elektriskā lauka intensitātes vektoru E.
Tas nozīmē, ka tagad elektronam ir divas kustības sastāvdaļas: pirmā - ar ātrumu v0 perpendikulāri laukam, otrā - vienmērīgi paātrināta spēka iedarbībā no lauka puses, kas vērsta pret anodu.
Izrādās, ka, ielidojis darbības laukā, elektrons pārvietojas pa parabolisko trajektoriju. Bet pēc izlidošanas no lauka darbības zonas elektrons turpinās vienmērīgu kustību ar inerci pa taisnas līnijas trajektoriju.