Движение электрона в однородном электрическом поле.

В электронных приборах движение свободных электронов происходит под действием электрических или магнитных полей. В зависимости от направления начальной скорости электрона электрическое поле может его движение ускорять, тормозить или менять направление.

Допустим, у нас есть два взаимно параллельных электрода анод и катод, расположенных в вакууме. Между ними будет создано электрическое поле напряженностью:

Е – напряженность электрического поля

U – разность потенциалов (напряжение)

d – расстояние между электродами

Если в электрическое поле с напряженность Е поместить электрон с зарядом е то на него будет действовать сила электрического поля равная:

Сила электрического поля направлена от катода к аноду.

Если начальная скорость электрона равна нулю и совпадает с направлением силы электрического поля , то электрон помещенный в данное поле испытывает ускорение и будет перемещаться из точек с более высоким потенциалом. При этом его скорость и кинетическая энергия будут возрастать. Движение электрона будет равноускоренным.

На основании закона сохранения энергии приращение кинетической энергии электрона должно равняться работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона.

A – Работа

m – Масса электрона

ѵ– скорость перемещения

ѵн – начальная скорость

U₂ – потенциал в конечной точке

U_{1 –} потенциал в начальной точке

U – Разность потенциала или напряжение

Если начальная скорость равна нулю то электрон будет двигаться только под воздействием поля.

Из каждой формулы можно определить скорость движения в конце пути.

если

тогда

Из этой формулы следует что скорость движения электрона можно выражать не только в кг ∕ с но и в В.

Выразим силу электрического поля через массу и ускорение:

a- Ускорение

Пройденный путь d можно определить по формуле:

Подставив в формулу значения e иm, получим формулу для вычисления времени полета электрона

t – Выражено в секундах

a – расстояние выражено в миллиметрах

U – Выражено в Вольтах

Время полета очень мало, во многих практических устройствах не учитывается, отсюда электронную лампу можно считать безынерционным прибором.

Если электрон движется от точки с большим потенциалом к точкам с меньшим, то его скорость и кинематическая энергия уменьшается.

Когда вектор начальной скорости направлен перпендикулярно направлению действия силы электрического поля, то траектория движения электрона будет иметь вид параболы.

Магнитное поле не изменяет энергии движущегося электрона, а меняет лишь траекторию его движения.

Принцип работы электронных приборов основан на явлении электронной эмиссии – процесс выхода электронов с поверхности твёрдого тела в вакуум.

Как известно, свободные электроны в проводящих материалах находятся в непрерывном хаотичном движении. При обычных условиях электроны не могут выйти за пределы поверхности тел, так как этому препятствуют электрические силы взаимодействия электрона с телом. Внутренней энергии электрона не достаточно для преодоления этих сил. Поэтому ему нужно сообщить дополнительную энергию. Наименьшая дополнительная энергия, которую необходимо сообщить электрону из вне для выхода с поверхности тела называется работойвыхода и обозначается W_o. Она измеряется в электрон вольтах. Чем меньше W_o,тем лучше эмиссионные свойства метала.

В зависимости от вида энергии используют для работы выхода электронов, различают несколько видов электронной эмиссии:

- термоэлектронную

- фотоэлектронную

- вторичную

- электростатическую

Термоэлектронной эмиссией называется процесс излучения электронов с поверхности нагретого металла. Этот вид эмиссии широко используется в электровакуумных приборах. Чем выше температура и меньше работа выхода, тем больше электронов будут обладать энергией достаточной для преодоления удерживающих сил.

Фотоэлектронная эмиссия – процесс выхода электронов с поверхности металла, облучаемого лучистой энергией. За счет поглощения энергии светового потока увеличивается энергия электронов в металле. Это явление называется фотоэффектом.

Вторичная электронная эмиссия – эмиссия электронов с поверхности металла при облучении его потоком электронов. При этом электроны, падающие на поверхность металла, называются первичными, а вытекающие из металла вторичными.

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия – эмиссия электронов с поверхности холодного металла под действием сильного ускоряющего магнитного поля. Воздействия внешнего электрического поля эквивалентно уменьшению работы выхода электрона.

Двухэлектродные лампы.

Электронные лампы, содержащие в своем баллоне два электрона, называются двухэлектродными или диодами.

Катод диода может быть как прямого, так и косвенного накала.

При работе диода на анод относительно катода подается напряжение при котором в межэлектродном пространстве создается электрическое поле. Если на анод относительно катода подано положительное напряжение, то электроны, испускаемые нагретым катодом, под действием электрического поля будут устремляться к аноду, создавая ток. Этот ток называется анодным и направлен от анода к катоду, в направлении противоположном движению электронов.

Когда на анод относительно катода подано отрицательное напряжение в пространстве между ними создается тормозящее электрическое поле. При этом анодный ток прекращается, поскольку электроны под воздействием поля возвращаются на катод. Таким образом, ток на диоде может протекать лишь в одном направлении.