Ako sa nabitá častica zrýchľuje v elektrostatickom poli

• Elektrónová zbraň
• Použitá literatúra

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Čo majú spoločné mikrovlnná rúra, elektrónový mikroskop a starý CRT televízor? Vo všetkých týchto zariadeniach je katódová trubica, ktorá vyžaruje elektróny, ktoré sú následne urýchľované elektrostatickým poľom.

Elektrické náboje sa navzájom ovplyvňujú: náboje rovnakého znamienka sa odpudzujú, náboje opačného znamenia sa priťahujú. Tieto interakcie sú sprostredkované elektrickým poľom. Je vytvorený každým nábojom a každý náboj s ním interaguje.Elektrické pole je opísané vektorovou veličinou E, - sila elektrického poľa. Táto hodnota je definovaná ako pomer sily F, ktorou pole pôsobí na elektrický náboj q, k hodnote tohto náboja: E=F / q .

Ak je teda elektrický náboj q v elektrickom poli vytvorenom inými nábojmi, pôsobí naň sila: F=qE . [2]Ryža. 1. Vplyv vonkajšieho elektrického poľa na kladné a záporné náboje

Podľa druhého Newtonovho zákona pôsobenie sily spôsobuje pohyb so zrýchlením: a=F / m . [3]

Ak spojíme rovnice (2) a (3), dostaneme rovnicu pre zrýchlenie nabitej častice v elektrickom poli: a=qE / m . [4]Treba si uvedomiť, že vo všeobecnosti toto zrýchlenie nie je konštantné, pretože veľkosť intenzity elektrického poľa môže závisieť od polohy. To bude napríklad prípad elektrického poľa vytvoreného bodovým nábojom, ktorého intenzita klesá s druhou mocninou vzdialenosti od náboja.

Uvažujme príklad, keď je elektrické pole všade konštantné (takzvané rovnomerné pole). Niečo také je vo vnútri plochého kondenzátora, t.j. medzi dvoma vodivými nabitými doskami navzájom rovnobežnými.

_{Ryža. 2. Schéma systému vychyľovania elektrónového lúča. UC - zdroj napätia.}

Elektrické napätie U_{C sa aplikuje na dve platne, v dôsledku čoho sa platne nabijú: horná kladným elektrickým nábojom a dolná platňa negatívny. Elektrické siločiary sú kolmé na dosky a smerujú z kladne nabitej dosky na záporne nabitú.}

Teraz predpokladajme, že elektrón spadne do oblasti medzi platňami rýchlosťou v₀rovnobežne s povrchom platní. Na samom začiatku má elektrón iba zložku rýchlosti v_x, ale elektrické pole spôsobuje zrýchlenie elektrónu.Keďže elektrické pole, a teda sila, je kolmé na zložku v_x, zostane konštantné, ako v prípade horizontálnej projekcie v gravitačnom poli. Zložka v_ysa však zmení, pretože v smere y pôsobí sila F_y=qE.

Keďže pole je vo vnútri plochého kondenzátora rovnomerné, sila bude konštantná. Preto bude aj zrýchlenie konštantné. Preto môžeme určiť časovú závislosť zložky rýchlosti: v_{y=at .}

Pomocou rovnice (4) môžeme napísať, že hodnota tejto zložky bude: v_y=( qEt ) / m . [6]

Všimnite si, že elektrické pole smeruje nadol, ale náboj na elektróne je záporný. To znamená, že sila pôsobí nahor, takže zložka rýchlosti v_{y bude smerovať nahor.}

Keď poznáme dĺžku dosiek, môžeme určiť čas t potrebný na to, aby elektrón prešiel úsekom medzi doskami: t=l / v₀[7] , kde l je dĺžka platní, a teda x je zložka polohy elektrónu na výstupe z oblasti medzi platňami.Nakoniec spojením rovníc (6) a (7) dostaneme hodnotu zložky v_{y :}

v_y=qEl / mv_{0 .}

Tento systém možno použiť na vychýlenie dráhy elektrónov alebo akýchkoľvek iných nabitých častíc. Môže byť tiež použitý ako detektor nabitých častíc. Štúdiom vychýlenia častice môžeme nájsť pomer jej náboja k hmotnosti a tak určiť, s akým typom častice máme do činenia.

Teraz uvažujme o systéme, ktorý sa používa na udeľovanie elektrónov ohromnou rýchlosťou, takzvané elektrónové delo.

Elektrónová zbraň

Ryža. 3. Schéma elektrónového dela

Prvým komponentom elektrónového dela je katóda (K), čo je kus vodiča (ako volfrámový drôt) zahriaty na veľmi vysokú teplotu. Katóda je zdrojom elektrónov, ktoré z nej unikajú v dôsledku takzvanej tepelnej emisie.Rýchlosť elektrónov opúšťajúcich katódu je však veľmi pomalá.

Druhá zložka systému, anóda (A), je zodpovedná za ich zrýchlenie. V najjednoduchšom prípade to môže byť kovový disk s otvorom. Ak sa na katódu a anódu privedie elektrické napätie (U_{A), medzi nimi vznikne elektrické pole. Ak je elektrický potenciál anódy vyšší ako elektrický potenciál katódy, potom bude elektrické pole smerované z anódy na katódu. Elektróny (e), keďže majú záporný náboj, budú priťahované k anóde. Svoju maximálnu rýchlosť (V) dosiahnu v strede anódového otvoru, pretože tam je najvyšší elektrický potenciál.}

V tomto prípade je elektrické pole medzi katódou a anódou nerovnomerné, takže elektrón sa bude pohybovať nerovnomerným pohybom, teda s premenlivým zrýchlením. Rýchlosť elektrónu letiaceho cez anódový otvor však vieme určiť, ak poznáme napätie U_{A pripojené medzi katódou a anódou.Elektrické napätie alebo potenciálny rozdiel, vynásobený množstvom náboja, sa rovná práci, ktorú vykoná elektrické pole na urýchlenie elektrického náboja. Ak predpokladáme, že rýchlosť elektrónu priamo na katóde je zanedbateľná v porovnaní s maximálnou rýchlosťou, potom sa táto práca rovná kinetickej energii elektrónu:}

eU_A=( m_ev²) / 2 , kde_{e je hmotnosť elektrónu a e je náboj elektrónu (takzvaný elementárny náboj). Z toho môžeme určiť hodnotu maximálnej rýchlosti elektrónu:}

v=2eU_A/ m_{e .}

Elektrónovú pištoľ možno nájsť v mnohých zariadeniach, ako je mikrovlnná rúra, röntgenová trubica, elektrónkový zosilňovač pre elektrickú gitaru alebo elektrónový mikroskop. Hodnota napätia U_{A pre elektrónové zrýchlenie závisí od aplikácie a môže sa pohybovať od niekoľkých stoviek voltov v prípade elektrónkových zosilňovačov až po hodnoty v rozsahu 2 - 5 kV v mikrovlnnej rúre rúre, a dokonca až 100 - 300 kV v transmisnom elektrónovom mikroskope.}

Použitá literatúra

• 1. Fyzická encyklopédia.- M.: Sovietska encyklopédia, 1988.
• 2. Irodov I.E. Základné zákony elektromagnetizmu.- M.: Higher School, 1983.
• 3. Matveev A.N. Elektrina a magnetizmus - M.: Higher School, 1983.

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!