Название: Электровакуумные приборы (Алексеев C. Н.) Жанр: Военный Просмотров: 3945 |
1.3 движение электронов в электрическом поле
Действие электровакуумных приборов основано на движении свободных электронов под воздействием электрического поля [3, 4, 5]. Рассмотрим дви- жение электрона в этом поле (рис. 1.2). На рис. 1.2 показано однородное электрическое поле, созданное между двумя параллельными пластинами. На свободный электрон, находящийся в этом поле, действует сила F = -e×E где e –- заряд электрона; Е – напряжённость электрического доля. Знак минус учитывает направление силы F. Эта сила направлена в сторо- ну, противоположную направлению электрического поля. Под действием
Рис. 1.2 Движение электрона в электрическом поле силы F электрон двигается навстречу электрическому полю, т. е. перемеща-
точками, соответствующими началь- ному и конечному положениям элек- трона. Энергия, полученная электро- ном, является кинетической энерги- ей. Скорость движения электрона, пока он находится в электрическом поле, непрерывно увеличивается. Количество кинетической энергии, которой обладает электрон, равно количеству энергии, затраченной по- лем: Рис. 1.3 Движение электрона в продольном электрическом поле mv 2
eU e(U4 U1 ), где m – масса электрона, v – скорость, приобретенная электроном; e – за-
Рис. 1.4 Движение электрона в продольном электрическом поле Величина, стоящая в левой части равенства, выражает кинетическую энергию движущегося электрона; величина в правой части — работу (энергию), затраченную электрическим полем. После прекращения действия электрического поля электрон продолжает двигаться по инерции с постоянной скоростью. Если он на своем пути встретит другое электри- ческое поле, то траектория и скорость электрона бу- дут определяться взаимо- действием силы инерции и силы, действующей на электрон со стороны внешнего поля. В электровакуумных приборах электроны, приобретая скорость в одном электрическом поле, могут попадать в другое, которое может иметь различ- ное направление по отношению к движущемуся электрону. Если направление начальной скорости электрона параллельно направлению поля, то поле назы- вают продольным. На рис. 1.3 показан случай, когда электрон, имея началь- ную скорость v0, попадает в продольное электрическое поле, направление ко- торого совпадает с направлением движения электрона. Сила F, с которой по- ле действует на электрон, направлена в сторону, противоположную началь- ной скорости электрона. Поэтому электрическое поле является для электрона тормозящим. Скорость движения электрона и его кинетическая энергия в тормозящем поле уменьшаются, а потенциальная энергия поля увеличивает- ся. В тормозящем поле электрон будет двигаться за счёт инерции до тех пор, пока не израсходует всю кинетическую энергию. При этом скорость электро- на уменьшится до нуля. В дальнейшем под действием той же силы F элек- трон будет двигаться в обратном направлении, получая энергию от электри- ческого поля и увеличивая свою скорость. Если за время, в течение которого электрон находился в электрическом поле, напряжённость поля не измени- лась, то электрон при обратном движении покинет поле с такой же скоро стью, с какой он вошел в это поле. В результате этого кинетическая энер- гия электрона и потен- циальная энергия поля останутся неизменными. Возможен случай, когда электрон покидает тормозящее поле рань- ше, чем будет израсхо- дован запас его кинети- ческой энергии. В этом случае он теряет часть своей кинетической энергии, а по- тенциальная энергия электрического поля увеличивается. Скорость
электрона после выхода за пределы поля будет меньше его начальной скоро- сти. На рис. 1.4 показан случай, когда электрон, имея начальную скорость v0, попадает в продольное электрическое поле, направленное навстречу скоро- сти электрона. Это поле действует на электрон с силой F, направление кото- рой совпадает с направлением скорости электрона. Поэтому поле является для электрона ускоряющим. В этом поле скорость и кинетическая энергия электрона увеличиваются (электрон «отбирает» энергию у электрического поля). При этом потенциальная энергия поля уменьшается. Скорость элек- трона после выхода из ускоряющего поля больше его начальной скорости. Поле, направленное перпендикулярно вектору начальной скорости электро- на, называют поперечным. Сила F, с которой электрическое поле действует на электрон, направлена перпендикулярно начальной скорости электрона. Под действием этой силы электрон приобретает скорость v1, направленную навстречу полю. В результате сложения скоростей v0 и v1 направление дви- жения электрона изменяется. Под влиянием двух взаимно перпендикулярных скоростей — постоянной начальной скорости v0 и непрерывно возрастаю- щей скорости v1 — электрон будет двигаться по траектории, представляю- щей собой параболу (рис. 1.5). После выхода из электрического поля элек- трон будет двигаться по инерции прямолинейно.
|
|