Jak se nabitá částice urychluje v elektrostatickém poli

• Elektronová zbraň
• Použitá literatura

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Co mají společného mikrovlnná trouba, elektronový mikroskop a stará CRT televize? Uvnitř všech těchto zařízení je katodová trubice, která vysílá elektrony, které jsou následně urychlovány elektrostatickým polem.

Elektrické náboje se vzájemně ovlivňují: náboje stejného znaménka se odpuzují, náboje opačného znaménka se přitahují. Tyto interakce jsou zprostředkovány elektrickým polem. Je vytvořen každým nábojem a každý náboj s ním interaguje.Elektrické pole je popsáno vektorovou veličinou E, - síla elektrického pole. Tato hodnota je definována jako poměr síly F, kterou pole působí na elektrický náboj q, k hodnotě tohoto náboje: E=F / q .

Je-li tedy elektrický náboj q v elektrickém poli vytvořeném jinými náboji, působí na něj síla: F=qE . [2]Rýže. 1. Vliv vnějšího elektrického pole na kladný a záporný náboj

Podle druhého Newtonova zákona působí působení síly pohyb se zrychlením: a=F / m . [3]

Pokud spojíme rovnice (2) a (3), dostaneme rovnici pro zrychlení nabité částice v elektrickém poli: a=qE / m . [4]Je třeba si uvědomit, že obecně toto zrychlení není konstantní, protože velikost intenzity elektrického pole může záviset na poloze. To bude například případ elektrického pole vytvořeného bodovým nábojem, jehož intenzita klesá s druhou mocninou vzdálenosti od náboje.

Uvažujme příklad, kdy je elektrické pole všude konstantní (tzv. uniformní pole). Něco takového je případ uvnitř plochého kondenzátoru, tzn. mezi dvěma vodivými nabitými deskami navzájem rovnoběžnými.

_{Rýže. 2. Schéma systému vychylování elektronového svazku. UC - zdroj napětí.}

Na dvě desky je přivedeno elektrické napětí U_{C, v důsledku čehož jsou desky nabity: horní kladným elektrickým nábojem a spodní kladným elektrickým nábojem. negativní. Siločáry elektrického pole jsou kolmé na desky a směřují od kladně nabité desky k záporně nabité.}

Nyní předpokládejme, že elektron dopadá do oblasti mezi deskami rychlostí v₀rovnoběžně s povrchem desek. Na samém začátku má elektron pouze rychlostní složku v_x, ale elektrické pole způsobuje zrychlení elektronu.Protože elektrické pole, a tedy i síla, je kolmé na složku v_x, zůstane konstantní, jako v případě horizontální projekce v gravitačním poli. Složka v_yse však změní, protože ve směru y působí síla F_y=qE.

Jelikož je pole uvnitř plochého kondenzátoru jednotné, bude síla konstantní. Proto bude také zrychlení konstantní. Můžeme tedy určit časovou závislost složky rychlosti: v_{y=at .}

Pomocí rovnice (4) můžeme napsat, že hodnota této složky bude: v_y=( qEt ) / m . [6]

Všimněte si, že elektrické pole je klesající, ale náboj elektronu je záporný. To znamená, že síla působí nahoru, takže složka rychlosti v_{y bude směřovat nahoru.}

Známe-li délku desek, můžeme určit čas t potřebný k tomu, aby elektron prošel úsekem mezi deskami: t=l / v₀[7] , kde l je délka desek, a tedy x je složka polohy elektronu na výstupu z oblasti mezi deskami.Nakonec kombinací rovnic (6) a (7) dostaneme hodnotu složky v_{y :}

v_y=qEl / mv_{0 .}

Tento systém lze použít k vychýlení dráhy elektronů nebo jiných nabitých částic. Může být také použit jako detektor nabitých částic. Studiem výchylky částice můžeme zjistit poměr jejího náboje k hmotnosti a tak určit, o jaký typ částice máme co činit.

Nyní zvažte systém, který se používá k udělování obrovských rychlostí elektronům, takzvané elektronové dělo.

Elektronová zbraň

Rýže. 3. Schéma elektronového děla

První součástí elektronového děla je katoda (K), což je kus vodiče (jako wolframový drát) zahřátý na velmi vysokou teplotu. Katoda je zdrojem elektronů, které z ní unikají díky tzv. tepelné emisi.Rychlost elektronů opouštějících katodu je však velmi pomalá.

Za jejich zrychlení je zodpovědná druhá součást systému, anoda (A). V nejjednodušším případě to může být kovový disk s otvorem. Pokud se na katodu a anodu přivede elektrické napětí (U_{A), objeví se mezi nimi elektrické pole. Pokud je elektrický potenciál anody vyšší než elektrický potenciál katody, pak bude elektrické pole směřováno z anody na katodu. Elektrony (e), protože mají záporný náboj, budou přitahovány k anodě. Dosáhnou své maximální rychlosti (V) ve středu anodového otvoru, protože elektrický potenciál je tam nejvyšší.}

V tomto případě je elektrické pole mezi katodou a anodou nerovnoměrné, takže se elektron bude pohybovat nerovnoměrným pohybem, tedy s proměnným zrychlením. Můžeme však určit rychlost elektronu prolétajícího anodovým otvorem, pokud známe napětí U_{A spojené mezi katodou a anodou.Elektrické napětí nebo potenciálový rozdíl, vynásobený množstvím náboje, se rovná práci, kterou vykoná elektrické pole k urychlení elektrického náboje. Pokud předpokládáme, že rychlost elektronu přímo na katodě je zanedbatelná ve srovnání s maximální rychlostí, pak se tato práce rovná kinetické energii elektronu:}

eU_A=( m_ev²) / 2 , kde_{e je hmotnost elektronu a e je náboj elektronu (takzvaný elementární náboj). Z toho můžeme určit hodnotu maximální rychlosti elektronů:}

v=2eU_A/ m_{e .}

Elektronové dělo lze nalézt v mnoha zařízeních, jako je mikrovlnná trouba, rentgenka, elektronkový zesilovač pro elektrickou kytaru nebo elektronový mikroskop. Hodnota napětí U_{A pro urychlení elektronů závisí na aplikaci a může se pohybovat od několika stovek voltů v případě elektronkových zesilovačů až po hodnoty v rozsahu 2 - 5 kV v mikrovlnné troubě. troubě, a dokonce až 100 - 300 kV v transmisním elektronovém mikroskopu.}

Použitá literatura

• 1. Fyzická encyklopedie.- M.: Sovětská encyklopedie, 1988.
• 2. Irodov I.E. Základní zákony elektromagnetismu.- M.: Higher School, 1983.
• 3. Matveev A.N. Elektřina a magnetismus - M.: Higher School, 1983.

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!