Si dos electrodos planos paralelos se colocan en el vacío y se conectan a una fuente de fuerza electromotriz, entonces se forma un campo eléctrico en el espacio entre los electrodos, cuyas líneas de fuerza serán rectas, paralelas entre sí y perpendiculares a las superficies de ambos electrodos.

En arroz. 1 la letra a denota el electrodo conectado al “+” de la batería E B, y la letra k denota el electrodo conectado a la batería “-” E B. Si se coloca una carga -e en dicho campo eléctrico, que no cambie la configuración del campo, entonces esta carga actuará sobre la fuerza F, igual al producto de la intensidad del campo E y la cantidad de carga -e:

El signo menos indica que la fuerza F que actúa sobre la carga negativa -e y la intensidad del campo E tienen direcciones opuestas. Para un campo eléctrico uniforme, el producto de la intensidad E y la distancia entre los electrodos h es igual a la diferencia de potencial aplicada entre los electrones:

Eh = U a -U a,

y U k y U a son los potenciales de los electrodos k y a.

En consecuencia, el trabajo realizado por el campo al mover un electrón de un electrodo a otro será igual a

A = Fh = mi(U a - U k).

(3) El electrón adquiere energía cinética

(4)

y se moverá de un electrodo a otro de manera uniformemente acelerada. La velocidad υ con la que el electrón llega al electrodo a se puede determinar a partir de la igualdad donde m es la masa del electrón; υ a es la velocidad del electrón en el electrodo a; υ k - velocidad del electrón en el electrodo k ().

velocidad inicial Si descuidamos la velocidad inicial del electrón, entonces la fórmula (4) se puede simplificar: reemplazando la relación entre la carga del electrón y su masa. valor numérico

(5)

y expresando los potenciales en voltios y la velocidad en m/seg, obtenemos

El tiempo que tarda un electrón en recorrer la distancia h entre los electrodos está determinado por la fórmula

Si el electrón se mueve en una dirección que coincide con la dirección del vector de intensidad del campo eléctrico E, entonces la dirección del movimiento será opuesta a la fuerza que actúa sobre el electrón y gastará la energía cinética previamente adquirida. Por tanto, un electrón puede moverse hacia la acción del campo sólo si tiene una determinada velocidad inicial, es decir, una determinada cantidad de energía cinética.

Un campo eléctrico casi uniforme en los dispositivos eléctricos de vacío es extremadamente raro. En un campo no uniforme, la intensidad varía de un punto a otro tanto en magnitud como en dirección. Por tanto, la fuerza que actúa sobre el electrón también cambia tanto en magnitud como en dirección.

En dispositivos eléctricos de vacío, junto con un campo eléctrico, para influir movimiento de electrones También se utiliza un campo magnético. Si el electrón está en reposo o si se mueve paralelo a la línea del campo magnético, entonces no actúa ninguna fuerza sobre él. Por lo tanto, al determinar la interacción de un electrón en movimiento y un campo magnético, solo se debe tener en cuenta la componente de velocidad perpendicular a las líneas del campo magnético. La fuerza F que actúa sobre el electrón es siempre perpendicular al vector de intensidad del campo magnético y al toro de velocidad del electrón ( arroz. 3). Arroz. 3. Movimiento de un electrón en un campo magnético.

La dirección de la fuerza F se puede determinar mediante la "regla de la barrena": si el mango de la barrena se gira en la dirección del vector H al vector de velocidad del electrón υ en la dirección angular más corta, entonces movimiento hacia adelante La barrena coincide con la dirección de la fuerza F. Dado que la acción de la fuerza F es siempre perpendicular a la dirección del movimiento del electrón, esta fuerza no puede realizar trabajo y solo afecta la dirección de su movimiento. La energía cinética del electrón sigue siendo la misma; se mueve a velocidad constante. La magnitud de la fuerza F está determinada por la fórmula

donde e es la carga del electrón; H - intensidad del campo magnético; υ p es la componente de la velocidad del electrón perpendicular al campo H. La fuerza F imparte al electrón una cantidad significativa aceleración centrípeta, mientras cambia la trayectoria de su movimiento. El radio de curvatura de la trayectoria del electrón está determinado por la fórmula

(8)

donde H - en oersteds; υ p - en voltios; r - en centímetros.

Al cambiar la intensidad del campo magnético, se puede cambiar el radio de la trayectoria del electrón. Si el electrón también tiene una componente de velocidad a lo largo líneas eléctricas campo magnético, entonces la trayectoria del electrón será helicoidal con un paso constante.

A menudo, un electrón se mueve en un espacio en el que existen simultáneamente campos eléctricos y magnéticos. En este caso, dependiendo del valor y dirección de la velocidad inicial del electrón, así como de la intensidad de los campos eléctrico y magnético, la trayectoria del electrón tendrá una forma diferente.

Un mayor movimiento del electrón se produce bajo la influencia de un campo magnético y un campo eléctrico que se ha vuelto desacelerado para él. En el punto C, toda la energía cinética previamente almacenada por el electrón se gastará en superar el campo eléctrico de frenado. El potencial del punto C es igual al potencial del punto A. El electrón, después de haber descrito una trayectoria cicloide, vuelve a su nivel de potencial anterior.

Movimiento de electrones en un campo magnético.

En un campo magnético, los electrones en movimiento son influenciados por la fuerza de Lorentz, siempre dirigida perpendicular al vector de velocidad. Por tanto, los electrones se mueven en un arco circular. Un campo magnético sólo cambia la dirección del movimiento de los electrones.

Por ejemplo, los tubos de imagen de televisión utilizan una desviación del haz magnético y un tubo de rayos catódicos de osciloscopio utiliza una desviación del haz electrostático.

2) Clasificación dispositivos electronicos. Emisión electrónica

Según el medio en el que se mueven los electrones, existen:

A) dispositivos electrónicos de vacío– la fuente de electrones libres es el fenómeno de la emisión de electrones;

b) dispositivos de descarga de gas iónico- la fuente de electrones libres es la emisión de electrones más la ionización por impacto de átomos y moléculas

V) dispositivos semiconductores (s/p)– Los electrones se liberan del átomo bajo la influencia de varias razones(cambio de temperatura, luz, presión) por lo tanto concentración medios libres la carga puede ser significativamente mayor que en los dispositivos de vacío y de descarga de gas, lo que determina las menores dimensiones, peso y coste de los dispositivos semiautomáticos.

Tema 1.1. Física de los fenómenos en semiconductores.

1. Semiconductores, tipos de semiconductores por conductividad.

2. Contacto de dos semiconductores con diferentes conductividad de impurezas.

2.1. Directo y reverso encendiendo pn transición. Propiedades básicas.

2.2. CVC unión pn. Tipos de avería.

2.3. La influencia de la temperatura en la unión p-n.

3. Contacto entre semiconductor y metal. Barrera de Schottky.

1. Semiconductores - estas son sustancias que tienen conductividad eléctrica Depende significativamente de la temperatura de iluminación, la presión y la impureza.

Por ejemplo, con un aumento de temperatura de 1 grado Celsius, la resistencia de un metal aumentará un 0,4% y la de un semiconductor disminuirá un 4-8%.

Ejemplos de semiconductores: germanio(Ge), silicio(Si), sustancias a base India, arseniuro de galio.

Tipos de semiconductores por conductividad:

A) conductividad intrínseca;

B) conductividad de impurezas;

A) Conductividad intrínseca representa el movimiento de electrones libres y huecos, cuyo número es idéntico y depende notablemente de la temperatura de iluminación y la presión.

La conductividad intrínseca se puede observar en un semiconductor puro y sin impurezas.

Un semiconductor puro aceptado que tiene sólo conductividad intrínseca llamar semiconductor yo - tipo.

B) Conductividad de impurezas

Hay dos tipos de conductividad de impurezas:

- conductividad de impurezas electrónicas Se obtiene añadiendo impurezas con una valencia una unidad mayor que la valencia del semiconductor. Además, 4 de electrones de valencia Cada átomo de impureza participa en la formación de enlaces y el quinto se libera fácilmente sin que se forme un agujero. Por lo tanto, tales semiconductores están dominados por electrones libres.

Los semiconductores en los que predominan los electrones libres se denominan semiconductores tipo n.

Por ejemplo, Ge (germanio) + As (arsénico) – semiconductor tipo n.

- conductividad de impurezas del agujero Se obtiene añadiendo impurezas con una valencia uno menor que la valencia del semiconductor. En este caso, a cada átomo de impureza le falta un electrón para completar el enlace con los átomos del semiconductor, por lo que predomina el número de huecos en el semiconductor;

Los semiconductores en los que predominan los huecos se denominan semiconductores tipo p .

Por ejemplo, Ge + In (indio) es un semiconductor. tipo p.

2. El contacto de dos semiconductores con diferente conductividad de impurezas del tipo “n y p” se denomina unión “p-n”.

En el punto de contacto siempre hay un campo de transición eléctrica (Eper), dirigido desde la región "n" a la región "p".

d - espesor de la unión “p-n”

U к – tensión de contacto

Ejemplo: Ge d= (10 -6 ÷ 10 -8) my U k = (0,2 a 0,3) V.

A medida que aumenta la concentración de impurezas, d- disminuye y Uk aumenta.

2.1. Dos formas de activar un cruce pn:

I.conexión directa de unión p-n en la región p más, en la región n menos de la fuente, por lo tanto, en la fuente E< E пер прямой ток I пр =0 (на рисунке 6 отрезок ОД), при E ист >El carril crea una corriente directa I pr, que depende notablemente del voltaje, consulte la Figura 3 y la Figura 4.

La dependencia de I respecto de U se llama característica corriente-voltaje (característica voltamperio).

La característica corriente-voltaje de la unión p-n con conexión directa se muestra en la Figura 4.

Cuando se enciende directamente, la corriente es creada por los principales portadores de carga: la conductividad de impurezas.

II.Conmutación inversa de la unión pn se muestra en la Figura 5.

A la región p menos, a la n-región más Desde la fuente, por lo tanto, el campo eléctrico de la fuente (fuente E) se dirige a lo largo del campo de transición y lo mejora, por lo tanto, los principales portadores de carga no participan en la creación de la corriente.

La corriente inversa I arr es creada por portadores de carga minoritarios, cuyo número es pequeño, por lo que la corriente inversa I arr es menor que I r

yo revelo<< I пр (в 1000 раз) – основное свойство p-n перехода.

Cuando se vuelve a encender, la corriente es casi independiente del voltaje; consulte la característica I-V en la Figura 6.

Con un voltaje inverso suficientemente grande (Urev max), se produce una ruptura de la unión "p-n"; este es un fenómeno aumento notable en la corriente (decenas y cientos de veces).

Hay dos tipos de averías:

- avería eléctrica, se observa solo cuando se vuelve a encender, a un voltaje Uob max, mientras que bajo la influencia del campo eléctrico de la fuente, se produce la ionización por impacto de los átomos, por lo tanto, se forman pares: electrón libre - agujero, cuyo número crece como una avalancha.

Las averías eléctricas se producen cuando la corriente inversa es menor o igual a la corriente de transición permitida (Iper ≤ I add), por lo tanto, se considera avería eléctrica. reversible , esto significa que cuando se elimina el voltaje p-n, la unión restaura sus propiedades. La avería eléctrica en la Figura 6 es la sección AB.

- ruptura térmica ocurre durante la conmutación directa o inversa, cuando la corriente excede los valores permitidos de agrego. transición, la temperatura aumenta, por lo tanto, I aumenta, por lo tanto, la temperatura aumenta notablemente, etc. Como resultado, la unión p-n se destruye, por lo que se denomina ruptura térmica. irreversible. El desglose térmico en la Figura 6 es la sección BG.

2.3. Al aumentar la temperatura, la corriente inversa aumenta notablemente, porque Esta es la conductividad intrínseca del p/p, y la corriente directa permanece casi sin cambios. Por ejemplo, cuando la temperatura aumenta 10 grados Celsius, la corriente inversa aumenta 2 ÷ 2,5 veces.

Esto significa que hay una temperatura tcr a la cual la corriente inversa se vuelve comparable a la corriente directa, es decir se produce una ruptura térmica. Esta temperatura tcr, a partir de la cual la conductividad intrínseca es comparable a la conductividad de las impurezas, se llama temperatura crítica o degeneración .

Aunque t cr depende de la concentración de portadores de impurezas, el parámetro determinante para ello es la banda prohibida de energía. Cuanto más amplia sea la banda prohibida, mayor será el tcr.

Entonces, si para el silicio tcr ≈ 330 ˚С, entonces para el germanio la temperatura crítica será menor (~ 100 ˚С).

También hay una temperatura más baja que afecta la conductividad de un semiconductor; esta temperatura a la que la impureza comienza a exhibir su conductividad se llama temperatura de activación.

Para todos los semiconductores, la temperatura de activación es la misma: t act = -100 0 C.

Por lo tanto, para todos los dispositivos semiconductores existen límites de temperatura de funcionamiento.

Por ejemplo: Ge → t esclavo = – 60 a +75 0 C;

Si → t esclavo = -60 a +150 0 C.

3. Hay 2 tipos de contactos semiconductores y metálicos:

- alisar– este contacto es similar a una unión p-n, pero con menos pérdida de voltaje y mayor eficiencia. El contacto rectificador fue descrito por primera vez por un científico alemán en 1937 por W. Schottky, por lo que el contacto rectificador se llama barrera Schottky y es la base del diodo Schottky, transistor Schottky.

- no rectificante – conduce la corriente por igual cuando se conecta directa o inversamente. Se utiliza para crear cables metálicos y dispositivos semiconductores.

Tema No. 2. Dispositivos semiconductores

1. Clasificación de dispositivos semiconductores;

2. Diodos semiconductores: diodo zener, varicap, fotodiodo, diodo túnel;

2.1. Dispositivo, principio de conmutación, funcionamiento, propiedad principal, UGO, aplicación;

3. Transistor bipolar;

3.1. Tipos, dispositivo, principio de inclusión, funcionamiento, propiedad principal, UGO, aplicación;

3.2. Tres esquemas de conmutación;

3.3. Principales parámetros y características;

3.4. Calificación;

4. Transistores de efecto de campo;

4.1. Tipos, dispositivo, principio de inclusión, funcionamiento, propiedad principal, UGO, aplicación;

5. Transistores unijuntura.

Algunos dispositivos electrónicos utilizan la influencia de un campo magnético sobre los electrones que se mueven en él.

En el § 3-2, c, se obtuvo la expresión (3-6) para la fuerza con la que un campo magnético uniforme actúa sobre un electrón que se mueve perpendicular a la dirección del campo. La magnitud de esta fuerza es proporcional al producto de la inducción magnética B, la carga del electrón y la velocidad de su movimiento v en la dirección perpendicular a la dirección del campo, es decir, allí también se estableció que la dirección de esta fuerza está determinada por la regla de la mano izquierda.

De la expresión de la fuerza (3-6) se deduce que cuando la fuerza es , es decir, el campo magnético no actúa sobre un electrón estacionario. Como la dirección de la fuerza F es perpendicular a la dirección de la velocidad del electrón, el trabajo realizado por éste es cero. Por tanto, la energía del electrón y el valor de su velocidad permanecen sin cambios, y solo cambia la dirección del movimiento del electrón.

Si el electrón se ve afectado únicamente por un campo magnético, entonces se moverá a lo largo de un círculo de radio (figura 13-4), ubicado en un plano perpendicular a la dirección cero.

La fuerza F es centrípeta y está equilibrada por la fuerza centrífuga del electrón.

Como estas fuerzas son iguales, podemos escribir

¿Dónde se determina el radio de un círculo?

La relación entre la masa del electrón y su carga es constante, por lo tanto, el radio del círculo es proporcional a la velocidad del electrón e inversamente proporcional a la inducción magnética del campo.

Arroz. 13-4. El movimiento de un electrón en un campo magnético a una velocidad inicial v en un plano perpendicular al vector de inducción magnética del campo.

Arroz. 13-5. El movimiento de un electrón en un campo magnético con una velocidad inicial dirigida en un ángulo agudo con respecto al vector de inducción magnética del campo.

Si la velocidad inicial del electrón no es perpendicular a la dirección del campo, entonces debe descomponerse en dos componentes: normal, es decir, perpendicular a la dirección del campo y longitudinal, es decir, coincidente en dirección con el campo (Fig. 13). -5).

La primera componente de la velocidad hace que el electrón se mueva en un círculo en un plano perpendicular a la dirección del campo, la segunda componente hace que el electrón se mueva uniforme y rectilíneamente en la dirección del campo, por lo que el electrón se mueve a lo largo de una hélice. línea (Fig. 13-5).

Objeto del trabajo.

Dispositivos y accesorios: e

Introducción

mi, velocidad de la luz Con, constante de planck h Kl∙kg -1 .

Campo magnético. EN B B q, moviéndose a velocidad V

F yo = q∙[ V∙B] o F l = |q|V.b.sinα(1)

donde α – V EN .

». B

q> I

Fig.1

q>q< 0) dirección actual I y velocidad V V B r determinado a partir de la condición

, (2)

donde α es el ángulo entre los vectores V Y B .

En caso α = 90 0 , pecadoα

Δ A = F l. Δ r

o Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Dónde β F Δ r .

F yo Δ r , β = 90 0 y cosβ

r

V dirigido en un ángulo α a líneas eléctricas EN V // = V∙cosα y uniforme

V ┴ = V∙sinα.

V //

h = VTcos, (7)

Sustituyendo esta expresión por t en (7), obtenemos

. (8)

B .

Campo eléctrico. En carga puntual q, mi , la fuerza actúa

F=q mi , (9)

Dirección de fuerza F mi mi .

Según la segunda ley de Newton F= metro a

q mi = (10)

incógnita a velocidad V

Movimiento de carga a lo largo del eje. incógnita incógnita= incógnita 0 + Vermont(incógnita 0 – coordenada inicial, t– tiempo), V= constante, x 0 = 0. ℓ es igual a .

Movimiento a lo largo del eje. Y , mi y = V y = V 0 años + en. Ud. , Dónde CON− t= 0) V 0 y = 0 obtenemos do = 0. .

Y según la fórmula .

tú,

EN mi , entonces la fuerza resultante F

F em =q mi + q[V∙B ]. (11)

Ud.VV << скорости света do ) teniendo la forma

Dónde mi metro

De (12) la velocidad del electrón

. (13)

tú, B r

Configuración experimental

3 – fuente de alimentación IP1 bobinas de Helmholtz; 4 – bobinas de Helmholtz; 5 - fuente de alimentación IP2 tubo de rayos catódicos.

Partes funcionales del montaje experimental y sus diagramas de conexión.

bobinas de helmholtz(Anillos de Helmholtz) son dos conductores anulares coaxiales del mismo radio con norte número de vueltas, situadas en planos paralelos coaxialmente, de forma que la distancia entre ellas sea igual al radio de los anillos (Fig. 8).

En la figura. La Figura 9 muestra un diagrama de cómo conectar bobinas de Helmholtz a una fuente de energía. IP1 .

Cuando pasa corriente a través de las bobinas, se genera un campo magnético en el espacio entre ellas, caracterizado por un alto grado de uniformidad. Es el resultado de una superposición de campos magnéticos inducidos por cada vuelta portadora de corriente del conductor anular y de todo el sistema de dos conductores anulares (Fig. 8).

La inducción del campo magnético en el centro de un conductor anular que transporta corriente y que contiene una vuelta se expresa mediante la fórmula

Dónde R– radio de curvatura del conductor, I– intensidad de corriente en él, µ – permeabilidad magnética, µ 0 – constante magnética (µ 0 = 4π·10 -7 H/m).

La magnitud de la inducción del campo magnético en el eje de las bobinas es proporcional a la corriente. I, que fluye en el devanado de cada uno de los conductores de anillo y el número de vueltas en ellos norte. Cálculo teórico del campo de inducción magnética de bobinas de Helmholtz utilizando la ley de Biot-Savart-Laplace y el principio de superposición sobre el eje. incógnita en el centro del sistema conduce a una fórmula adaptada para el cálculo EN, utilizado en este trabajo

. (15)

Dónde R– radio del conductor anular, µ 0 = 4π·10 -7 H/m (constante magnética).

La Figura 10 muestra la distribución de la inducción del campo magnético en el espacio entre las bobinas de Helmholtz a lo largo del eje. incógnita, coincidiendo con el eje de simetría de las bobinas. La línea de puntos muestra la distribución de los campos magnéticos creados por cada uno de los conductores del anillo.

La falta de homogeneidad del campo generado con el ajuste adecuado de las bobinas no podrá exceder el 5%.

tubo de rayos catódicos (CRT ) utilizado en la configuración experimental se muestra en la Fig. 11. La fotografía (vista superior) también ilustra su ubicación en el espacio entre las bobinas de Helmholtz en la zona de un campo magnético uniforme. CRT es un tetrodo de haz en un matraz esférico de vidrio con vacío. El matraz contiene un cañón de electrones, un cátodo calentado indirectamente, montado en una cruceta de metal con puentes. Para visualizar el haz de electrones, se llena una ampolla de vidrio con hidrógeno a baja presión.

Figura 11. Tubo de rayos catódicos con bobinas de Helmholtz (vista superior):

1 – cañón de electrones; 2 – recorrido con puentes, utilizado como escala para estimar el radio de la trayectoria del electrón;

3 – Bobinas de Helmholtz.

Los electrones emitidos por el cátodo debido a la emisión termoiónica son enfocados por los electrodos del cañón de electrones en forma de haz y se mueven a lo largo de una trayectoria recta verticalmente hacia arriba. Cuando se aplica voltaje a las bobinas de Helmholtz desde una fuente de energía IP1 en el ámbito del alojamiento CRT, se crea un campo magnético uniforme. La trayectoria del haz de electrones cambia de recta a circular.

El efecto se observa visualmente mediante un débil brillo azulado dentro de la bombilla de vidrio, correspondiente a la trayectoria del haz de electrones. El diámetro de la trayectoria del electrón visualizado se estima utilizando una barra transversal ubicada en un matraz con varios puentes recubiertos con fósforo (Fig. 12).

La Figura 13 muestra el diagrama de conexión a la fuente de alimentación. IP2

tubo de rayos catódicos que indica el rango de cambios en los parámetros de la fuente.

Arroz. 14. Fuente de alimentación para bobinas de Helmholtz ( IP1 ) (foto del panel frontal).

Arroz. 15. Fuente de alimentación para tubo de rayos catódicos ( IP2 ) (foto del panel frontal).

orden de trabajo

NOTA 1.

Todos los dispositivos y elementos funcionales de la instalación están conectados mediante cables de conexión.

¡NO TOCAR!

ATENCIÓN.

Al realizar el trabajo, es necesario observar estrictamente las normas de seguridad establecidas en el lugar de trabajo y en el laboratorio.

ATENCIÓN.

ATENCIÓN.

TENSIÓN DE ACELERACIÓN CRT de 100 a 300 V

Las mediciones deben realizarse en una habitación a oscuras para observar la trayectoria del haz de electrones.

NOTA 4. En el montaje experimental también es posible medir el radio de la trayectoria del haz de electrones utilizando el tercer puente de escala desde la izquierda, situado en un matraz de vidrio, para registrar CRT. Corresponde al radio del haz de electrones. r 3

= 0,03 m (Figura 12).

14. Estas mediciones deberán realizarse a petición del profesor. Repita los pasos 11 y 12 varias veces, observando la intersección del haz de electrones con el tercer puente. Ud. 15. Datos de medición de los pares de características correspondientes: tensión de aceleración I y corriente en las bobinas Corresponde al radio del haz de electrones. y para cada experimento en= 0,03m

entrar en la mesa 2.

16. Apague la unidad de medición.

Orden de apagado: IP1 a) utilice las perillas de ajuste para reducir la corriente en las bobinas de Helmholtz a cero (gire a la posición extrema izquierda). En

b) utilice las perillas de ajuste para reducir el voltaje de aceleración del tubo de rayos catódicos a cero (gire a la posición extrema izquierda en IP2 2.ª y 3.ª manija).

c) apagar las fuentes de energía IP1 Y IP2 (interruptores de palanca en el panel trasero).

Tabla 1

Tabla 2

Referencias

1. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Curso de física. – M.: Editorial “Academia”, 2005 en adelante. – 720 s.

2. Trofimova T.I. Curso de física. – M.: Escuela Superior, 2004 en adelante. – 544 p.

3. Savelyev I.V. Curso de física general en 3 volúmenes. – M.: Astrel AST, 2007 en adelante.

Zakharova T.V. (ed. general) Física. Colección de tareas en forma de prueba, parte 2. – M.: MIIT, 2010 – 192 p.

MOVIMIENTO DE ELECTRONES EN UN CAMPO MAGNÉTICO

Objeto del trabajo. Determinación de la carga específica de un electrón a lo largo de la trayectoria conocida de un haz de electrones en campos eléctricos y magnéticos alternos.

Dispositivos y accesorios: e Instalación experimental de la marca "PHYWE" de HYWE Systems GmbH & Co. (Alemania) compuesto por: tubo de rayos catódicos; Bobinas de Helmholtz (1 par); fuente de alimentación universal (2 piezas); multímetro digital (2 uds.); cables de conexión multicolores.

Introducción

Carga específica de una partícula elemental. es la relación entre la carga de una partícula y su masa. Esta característica es muy utilizada para identificar partículas, ya que permite distinguir entre sí diferentes partículas que tienen la misma carga (por ejemplo, electrones de muones, piones, etc. con carga negativa).

La carga específica de un electrón se refiere a constantes físicas fundamentales como la carga de un electrón. mi, velocidad de la luz Con, constante de planck h etc. Su valor teórico es = (1.75896 ± 0.00002)∙10 11 Kl∙kg -1 .

Numerosos métodos experimentales para determinar la carga específica de partículas se basan en estudios de las características de su movimiento en un campo magnético. Se proporcionan posibilidades adicionales utilizando la configuración de campos magnéticos y eléctricos y variando sus parámetros. En este trabajo se determina la carga específica de un electrón en una instalación experimental de la marca “PHYWE”, fabricada en Alemania. En él, para estudiar las trayectorias del movimiento de los electrones en un campo magnético, se implementa un método que se basa en una combinación de posibilidades de variar los parámetros de campos magnéticos y eléctricos uniformes con su configuración mutuamente perpendicular. Este manual fue desarrollado utilizando la documentación suministrada con la instalación.

Campo magnético. Los experimentos muestran que el campo magnético afecta a las partículas cargadas que se mueven en él. La característica de fuerza que determina este efecto es la inducción magnética, una magnitud vectorial. EN .El campo magnético se representa mediante líneas de fuerza de inducción magnética, cuyas tangentes en cada punto coinciden con la dirección del vector. B . Para un campo magnético uniforme, el vector B constante en magnitud y dirección en cualquier punto del campo. Fuerza que actúa sobre la carga. q, moviéndose a velocidad V en un campo magnético, fue determinada por el físico alemán G. Lorentz (fuerza de Lorentz). Se expresa mediante la fórmula

F yo = q∙[ V∙B] o F l = |q|V.b.sinα(1)

donde α – el ángulo formado por el vector velocidad V vector de inducción de campo magnético y partículas en movimiento EN .

a un estacionario carga electrica el campo magnético no tiene ningún efecto. Ésta es su diferencia significativa con el campo eléctrico.

La dirección de la fuerza de Lorentz se determina mediante la regla de la mano izquierda. ». Si la palma de la mano izquierda está colocada de manera que el vector entre en ella B , y señala con cuatro dedos extendidos a lo largo

dirección del movimiento de cargas positivas ( q>0), coincidiendo con la dirección de la corriente I(), luego doblado pulgar

Fig.1

mostrará la dirección de la fuerza que actúa sobre carga positiva (q>0) (Figura 1). En el caso de cargas negativas ( q< 0) dirección actual I y velocidad V los movimientos son opuestos. La dirección de la fuerza de Lorentz está determinada por la dirección de la corriente. Por tanto, la fuerza de Lorentz es perpendicular al vector velocidad, por lo que el módulo de velocidad no cambiará bajo la influencia de esta fuerza. pero cuando velocidad constante, como se desprende de la fórmula (1), el valor de la fuerza de Lorentz también permanece constante. De la mecánica se sabe que fuerza constante, perpendicular a la velocidad, provoca un movimiento en círculo, es decir, es centrípeto. En ausencia de otras fuerzas, según la segunda ley de Newton, le da a la carga un carácter centrípeto o aceleración normal. La trayectoria de una carga en un campo magnético uniforme en V B es un círculo (Fig.2), cuyo radio r determinado a partir de la condición

, (2)

donde α es el ángulo entre los vectores V Y B .

En caso α = 90 0 , pecadoα= 1 de la fórmula (2), el radio de la trayectoria circular de la carga está determinado por la fórmula

Trabajo realizado sobre una carga en movimiento en un campo magnético. fuerza constante Lorentz, igual

Δ A = F l. Δ r

o Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Dónde β – ángulo entre la dirección de los vectores de fuerza F l. y la dirección del vector de desplazamiento Δ r .

Dado que la condición siempre se cumple F yo Δ r , β = 90 0 y cosβ= 0, entonces el trabajo realizado por la fuerza de Lorentz, como se desprende de (4), es siempre igual a cero. Por eso, valor absoluto la velocidad de la carga y su energía cinética cuando se mueve en un campo magnético permanecen constantes.

Período de rotación (tiempo de una vuelta completa), es igual a

Sustituyendo en (5) en lugar del radio r su expresión de (3), obtenemos que el movimiento circular de partículas cargadas en un campo magnético tiene característica importante: el período orbital no depende de la energía de la partícula, depende sólo de la inducción del campo magnético y el recíproco de la carga específica:

Si el campo magnético es uniforme, pero la velocidad inicial de la partícula cargada V dirigido en un ángulo α a líneas eléctricas EN , entonces el movimiento se puede representar como una superposición de dos movimientos: rectilíneo uniforme en una dirección paralela al campo magnético con velocidad V // = V∙cosα y uniforme

rotación bajo la influencia de la fuerza de Lorentz en un plano perpendicular al campo magnético a una velocidad V ┴ = V∙sinα.

Como resultado, la trayectoria de la partícula será una línea helicoidal (Fig. 3).

Paso de hélice igual a la distancia, pasado por una carga a lo largo del campo con una velocidad V // por el momento igual al periodo rotación

h = VTcos, (7)

Sustituyendo esta expresión por t en (7), obtenemos

. (8)

El eje espiral es paralelo a las líneas del campo magnético. B .

Campo eléctrico. Hasta un punto de carga q, colocado en un campo eléctrico caracterizado por un vector de voltaje mi , la fuerza actúa

F=q mi , (9)

Dirección de fuerza F coincide con la dirección del vector mi , si la carga es positiva y opuesta mi en caso de carga negativa . En un campo eléctrico uniforme, el vector de intensidad en cualquier punto del campo es constante en magnitud y dirección. Si el movimiento se produce sólo a lo largo de las líneas de fuerza de un campo eléctrico uniforme, se acelera uniformemente y es rectilíneo.

Según la segunda ley de Newton F= metro a la ecuación de movimiento de una carga en un campo eléctrico se expresa mediante la fórmula

q mi = (10)

Supongamos que el punto carga negativa, moviéndose inicialmente a lo largo del eje incógnita a velocidad V , cae en un campo eléctrico uniforme entre las placas. condensador plano, como se muestra en la Fig. 4.

Movimiento de carga a lo largo del eje. incógnita es uniforme, su ecuación cinemática incógnita= incógnita 0 + Vermont(incógnita 0 – coordenada inicial, t– tiempo), V= constante, x 0 = 0. Tiempo de vuelo de la carga de un condensador con la longitud de las placas. ℓ es igual a .

Movimiento a lo largo del eje. Y determinado por el campo eléctrico dentro del condensador. Si el espacio entre las placas es pequeño en comparación con su longitud. , Los efectos de borde se pueden despreciar y el campo eléctrico en el espacio entre las placas se puede considerar uniforme ( mi y = constante). El movimiento de la carga se acelerará uniformemente. V y = V 0 años + en. Ud. La aceleración se determina con la fórmula (10). Habiendo realizado la integración (10), obtenemos , Dónde CON− constante de integración. En condición inicial (t= 0) V 0 y = 0 obtenemos do = 0. .

La trayectoria y la naturaleza del movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico uniforme de un condensador plano son similares a las características similares del movimiento en un campo gravitacional de un cuerpo lanzado horizontalmente. Deflexión de una partícula cargada a lo largo del eje. Y es igual a . Teniendo en cuenta el personaje fuerza actuante depende de según la fórmula .

Cuando una carga se mueve en un campo eléctrico entre puntos que tienen una diferencia de potencial. tú, El trabajo lo realiza el campo eléctrico, como resultado del cual la carga adquiere energía cinética. De acuerdo con la ley de conservación de la energía.

Si una carga eléctrica en movimiento, además de un campo magnético con inducción EN También hay un campo eléctrico con la intensidad. mi , entonces la fuerza resultante F , que determina su movimiento, es igual a la suma vectorial de la fuerza que actúa desde el campo eléctrico y la fuerza de Lorentz.

F em =q mi + q[V∙B ]. (11)

Esta expresión se llama fórmula de Lorentz.

en esto trabajo de laboratorio el movimiento de electrones en campos magnéticos y campos electricos. Todas las relaciones discutidas anteriormente para cargo arbitrario, también son válidos para el electrón.

Suponemos que la velocidad inicial del electrón es cero. Al entrar en un campo eléctrico, la carga se acelera en él y, una vez superada la diferencia de potencial Ud., adquiere cierta velocidad V. Se puede determinar a partir de la ley de conservación de la energía. En el caso de velocidades no relativistas ( V << скорости света do ) teniendo la forma

Dónde mi= –1,6∙10 -19 C – carga de electrones, metro e = 9,1∙10 -31 kg – su masa.

De (12) la velocidad del electrón

Sustituyéndolo en (3), obtenemos una fórmula para encontrar el radio del círculo a lo largo del cual se mueve el electrón en un campo magnético:

. (13)

Por tanto, conociendo la diferencia de potencial tú, aceleración de electrones a medida que se mueven en un campo eléctrico a velocidades no relativistas, inducción de un campo magnético uniforme B, en el que estos electrones se mueven, describiendo una trayectoria circular y determinando experimentalmente el radio de la trayectoria circular especificada r, puedes calcular la carga específica de un electrón usando la fórmula

Configuración experimental

En la Fig. 5 se muestra una fotografía del soporte de medición.

En la figura. La Figura 6 muestra una fotografía de la configuración experimental de la marca “PHYWE”.

En la figura. La Figura 7 muestra los componentes principales de la configuración experimental con designaciones de partes funcionales.

Fig.7. Configuración experimental:

1 – tubo de rayos catódicos; 2, 6 – multímetros digitales;

3 – fuente de alimentación IP1 bobinas de Helmholtz; 4 – bobinas de Helmholtz; 5 - fuente norte

A continuación se muestran las condiciones de los problemas y las soluciones escaneadas. Si necesita resolver un problema sobre este tema, puede encontrar una condición similar aquí y resolver la suya por analogía. La página puede tardar un poco en cargarse debido a la gran cantidad de imágenes. Si necesita resolución de problemas o ayuda en línea en física, contáctenos, estaremos encantados de ayudarle.

El movimiento de una carga en un campo magnético puede ocurrir en línea recta, en círculo o en espiral. Si el ángulo entre el vector de velocidad y las líneas del campo magnético no es cero o 90 grados, la carga se mueve en espiral: el campo magnético actúa sobre ella mediante la fuerza de Lorentz, lo que le da una aceleración centrípeta.

Una partícula, acelerada por una diferencia de potencial de 100 V, se mueve en un campo magnético con una inducción de 0,1 T en una espiral de 6,5 cm de radio con un paso de 1 cm. Encuentre la relación entre la carga de la partícula y su masa.

Un electrón vuela con una velocidad de 1 mm/s hacia un campo magnético que forma un ángulo de 60 grados con respecto a las líneas de fuerza. Intensidad del campo magnético 1,5 kA/m. Encuentre el radio y el paso de la espiral a lo largo de la cual se moverá el electrón.

Un electrón se mueve en un campo magnético con una inducción de 100 μT en una espiral con un radio de 5 cm y un paso de 20 cm.

Un electrón, acelerado por una diferencia de potencial de 800 V, se mueve en un campo magnético con una inducción de 4,7 mT en una espiral con un paso de 6 cm.

Un protón, acelerado por una diferencia de potencial de 300 V, entra en un campo magnético en un ángulo de 30 grados con respecto a las líneas de fuerza. Inducción de campo magnético 20 mT. Encuentre el radio y el paso de la espiral a lo largo de la cual se moverá el protón.

Un electrón, acelerado por una diferencia de potencial de 6 kV, vuela hacia un campo magnético en un ángulo de 30 grados con respecto a las líneas de fuerza. Inducción de campo magnético 13 mT. Encuentre el radio y el paso de la espiral a lo largo de la cual se moverá el electrón.

Una partícula alfa, acelerada por la diferencia de potencial U, entra en el campo magnético formando un ángulo con las líneas de campo. Inducción de campo magnético 50 mT. El radio y el paso de la espiral (la trayectoria de la partícula) son 5 cm y 1 cm, respectivamente. Determine la diferencia de potencial U.

Un electrón vuela con una velocidad de 1 mm/s hacia un campo magnético que forma un ángulo de 30 grados con respecto a las líneas de fuerza. Inducción de campo magnético 1,2 mT. Encuentre el radio y el paso de la espiral a lo largo de la cual se moverá el electrón.

Un electrón vuela con una velocidad de 6 mm/s hacia un campo magnético que forma un ángulo de 30 grados con respecto a las líneas de fuerza. Inducción de campo magnético 1,0 mT. Encuentre el radio y el paso de la espiral a lo largo de la cual se moverá el electrón.

Un electrón se mueve en un campo magnético con una inducción de 5 mT en una espiral con un paso de 5 cm y un radio de 2 cm. Determine la velocidad y la energía cinética del electrón y el ángulo entre los vectores de velocidad del electrón y la inducción magnética. del campo.