elektron dalam medan listrik

Pergerakan elektron dalam medan listrik adalah salah satu proses fisik terpenting untuk teknik kelistrikan. gambar Mari kita lihat bagaimana hal ini terjadi dalam ruang hampa. Mari kita perhatikan contoh pergerakan elektron dari katoda ke anoda dalam medan listrik yang seragam.

Gambar di bawah ini menunjukkan situasi di mana elektron meninggalkan elektroda negatif (katoda) dengan kecepatan awal yang sangat kecil (cenderung nol) dan masuk dalam medan listrik seragamhadir di antara dua elektroda.

Tegangan konstan U diterapkan ke elektroda, dan medan listrik memiliki kekuatan yang sesuai E. Jarak antara elektroda sama dengan d. Dalam hal ini, gaya F akan bekerja pada elektron dari sisi medan, yang sebanding dengan muatan elektron dan kekuatan medan:

Karena elektron bermuatan negatif, gaya ini akan diarahkan melawan vektor kekuatan medan E. Dengan demikian, elektron akan dipercepat ke arah itu oleh medan listrik.

Percepatan yang dialami elektron sebanding dengan besarnya gaya F yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massa elektron m.Karena medannya seragam, percepatan untuk gambar tertentu dapat dinyatakan sebagai:

Dalam rumus ini, rasio muatan elektron terhadap massanya adalah muatan spesifik elektron, kuantitas yang merupakan konstanta fisik:

Jadi elektron berada dalam medan listrik yang dipercepat karena arah kecepatan awal v0 berimpit dengan arah gaya F pada sisi medan dan oleh karena itu elektron bergerak secara seragam. Jika tidak ada halangan, ia akan menempuh jalur d antara elektroda dan mencapai anoda (elektroda positif) dengan kecepatan v tertentu. Pada saat elektron mencapai anoda, energi kinetiknya akan sama dengan:

Karena sepanjang lintasan d elektron dipercepat oleh gaya medan listrik, ia memperoleh energi kinetik ini sebagai hasil kerja yang dilakukan oleh gaya yang bekerja di sisi medan. Pekerjaan ini sama dengan:

Kemudian energi kinetik yang diperoleh oleh elektron yang bergerak di lapangan dapat ditemukan sebagai berikut:

Artinya, tidak lebih dari pekerjaan gaya medan untuk mempercepat elektron antara titik-titik dengan beda potensial U.

Dalam situasi seperti itu, untuk menyatakan energi elektron, lebih mudah menggunakan satuan pengukuran seperti "elektron volt", yang sama dengan energi elektron pada tegangan 1 volt. Dan karena muatan elektron konstan, maka 1 elektrovolt juga merupakan nilai konstan:

Dari rumus sebelumnya, Anda dapat dengan mudah menentukan kecepatan elektron di titik mana pun di jalurnya saat bergerak dalam medan listrik yang dipercepat, hanya dengan mengetahui perbedaan potensial yang dilaluinya saat dipercepat:

Seperti yang dapat kita lihat, kecepatan elektron dalam medan percepatan hanya bergantung pada beda potensial U antara titik akhir dan titik awal jalurnya.

Bayangkan elektron mulai menjauh dari katoda dengan kecepatan yang dapat diabaikan, dan tegangan antara katoda dan anoda adalah 400 volt. Dalam hal ini, pada saat mencapai anoda, kecepatannya akan sama dengan:

Juga mudah untuk menentukan waktu yang dibutuhkan elektron untuk menempuh jarak d antara elektroda. Dengan gerak yang dipercepat secara beraturan dari keadaan diam, kecepatan rata-rata didapat setengah dari kecepatan akhir, maka waktu penerbangan yang dipercepat dalam medan listrik akan sama dengan:

Mari kita perhatikan contoh ketika sebuah elektron bergerak dalam medan listrik seragam yang diperlambat, yaitu medan diarahkan seperti sebelumnya, tetapi elektron mulai bergerak ke arah yang berlawanan - dari anoda ke katoda.

Misalkan elektron meninggalkan anoda dengan kecepatan awal v dan awalnya mulai bergerak ke arah katoda. Dalam hal ini, gaya F yang bekerja pada elektron dari sisi medan listrik akan diarahkan melawan vektor intensitas listrik E — dari katoda ke anoda.

Ini akan mulai mengurangi kecepatan awal elektron, yaitu medan akan memperlambat elektron. Ini berarti elektron dalam kondisi ini akan mulai bergerak secara seragam dan lambat secara seragam. Situasinya digambarkan sebagai berikut: "sebuah elektron bergerak dalam medan listrik yang melambat."

Dari anoda, elektron mulai bergerak dengan energi kinetik bukan nol, yang mulai berkurang selama perlambatan, karena energi sekarang digunakan untuk mengatasi gaya yang bekerja dari medan pada elektron.

Jika energi kinetik awal elektron saat keluar dari anoda segera lebih besar dari energi yang harus dikeluarkan oleh medan untuk mempercepat elektron bergerak dari katoda ke anoda (seperti pada contoh pertama), maka elektron akan menempuh jarak d dan pada akhirnya akan mencapai katoda meskipun direm.

Jika energi kinetik awal elektron kurang dari nilai kritis ini, maka elektron tidak akan mencapai katoda. Pada titik tertentu ia akan berhenti, kemudian memulai gerakan yang dipercepat secara seragam kembali ke anoda. Akibatnya, medan akan mengembalikan energi yang dihabiskan dalam proses penghentian.

Tetapi bagaimana jika sebuah elektron terbang dengan kecepatan v0 di wilayah aksi medan listrik dengan sudut siku-siku? Jelas, gaya di sisi medan di wilayah ini diarahkan untuk elektron dari katoda ke anoda, yaitu melawan vektor kekuatan medan listrik E.

Ini berarti bahwa sekarang elektron memiliki dua komponen gerak: yang pertama - dengan kecepatan v0 tegak lurus terhadap medan, yang kedua - dipercepat secara seragam di bawah aksi gaya dari sisi medan yang diarahkan ke anoda.

Ternyata, setelah terbang ke medan aksi, elektron bergerak di sepanjang lintasan parabola. Tetapi setelah terbang keluar dari wilayah aksi medan, elektron akan melanjutkan gerakan seragamnya secara inersia di sepanjang lintasan garis lurus.