|
Взаимодействие электронов с электрическим полем
является основным процессом в электровакуумных и полупроводниковых
приборах.
Электрон является частицей материи с отрицательным электрическим
зарядом, у которого абсолютное значение e = 1,610-19Кл. Масса неподвижного
электрона равна m = 9,110-28г. С возрастанием скорости движения
масса электронов увеличивается. теоретически при скорости движения,
равной с = 3·108м/с, масса электрона должна стать бесконечно большой.
В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает
0,1с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной,
равной т.
Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между
ними d, то напряженность поля равна: Е= U/d. Для однородного электрического
поля величина Е является постоянной.
Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из
катода, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной
скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле действует
на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему более
высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается
к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется
ускоряющим.
В ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона
за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом
сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W-W0
равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого
заряда е на пройденную им разность потенциалов U: W-W! = mv2/2 –
mv20/2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W0
= mv20/2 = 0 и W=mv2/2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона
равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит
от пройденной разности по'тенциалов.
Пусть направление начальной скорости электрона v0 противоположно
силе F, действующей на электрон со стороны поля, т. е. электрон
вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким
потенциалом. Так как сила F направлена навстречу скорости v0, то
электрон тормозится и движется прямолинейно, равномерно замедленно.
Поле в этом случае называется тормозящим. Следовательно, данное
поле для одних электронов является ускоряющим, а для других – тормозящим
в зависимости от направления начальной скорости электрона. В тормозящем
поле электрон отдает энергию полю. В обратном направлении электрон
движется без начальной скорости в ускоряющем поле, которое возвращает
электрону энергию, потерянную им при замедленном движении.
Если электрон влетает с начальной скоростью v0 под прямым углом
к направлению силовых линий поля, то поле действует на электрон
с силой F, определяемой по формуле f = eE и направленной в сторону
более высокого потенциала. При отсутствии силы Рпотенци-ал совершил
бы равномерное движение по инерции со скоростью v0. А под действием
силы F электрон должен равноускоренно двигаться в направлении, перпендикулярном
v0. Результирующее движение электрона происходит по параболе, причем
электрон отклоняется в сторону положительного электрода. Если электрон
не попадает на этот электрод и выйдет за пределы поля, то дальше
он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Электрон
движется по некоторой параболе, причем либо попадает на один из
электродов, либо выходит за пределы поля.
Электрическое поле всегда изменяет в ту или другую сторону кинетическую
энергию и скорость электрона. Таким образом, между электроном и
электрическим полем всегда имеется энергетическое взаимодействие,
т. е. обмен энергией. Если начальная скорость электрона направлена
не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то электрическое
поле еще и искривляет траекторию электрона.
|
