Jei du plokšti, lygiagrečiai elektrodai patalpinami į vakuumą ir prijungiami prie elektrovaros šaltinio, tai tarp elektrodų susidaro elektrinis laukas, kurio jėgos linijos bus tiesios, lygiagrečios viena kitai ir statmenos abiejų elektrodų paviršiai.

Įjungta ryžių. 1 raidė a žymi elektrodą, prijungtą prie akumuliatoriaus E B „+“, o raidė k žymi elektrodą, prijungtą prie „-“ akumuliatoriaus E B. Jei įkrovimas -e yra įdėtas į tokį elektrinį lauką, kuris nėra pakeisti lauko konfigūraciją, tada šis krūvis veiks jėga F, lygia lauko stiprio E ir krūvio dydžio sandaugai -e:

Minuso ženklas rodo, kad neigiamą krūvį -e veikianti jėga F ir lauko stiprumas E turi priešingomis kryptimis. Esant vienodam elektriniam laukui, intensyvumo E ir atstumo tarp elektrodų h sandauga yra lygi taikomo potencialo skirtumui tarp elektronų:

Eh = U iki -U a,

o U k ir U a yra elektrodų k ir a potencialai.

Lauko atliktas darbas perkeliant elektroną iš vieno elektrodo į kitą atitinkamai bus lygus

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

(3) Elektronas įsigyja kinetinė energija

(4)

ir judės nuo elektrodo prie elektrodo a tolygiai pagreitintai. Greitį υ, kuriuo elektronas pasiekia elektrodą a, galima nustatyti iš lygybės čia m yra elektrono masė; υ a – elektrono greitis ties elektrodu a; υ k - elektronų greitis ties elektrodu k ().

pradinis greitis Jei nepaisysime pradinio elektrono greičio, tada (4) formulę galima supaprastinti: pakeičiant elektrono krūvio ir jo masės santykį. skaitinė reikšmė

(5)

o potencialus išreiškę voltais ir greitį m/sek., gauname

Laikas, per kurį elektronas nukeliauja atstumą h tarp elektrodų, nustatomas pagal formulę

Jeigu elektronas juda kryptimi, sutampančia su elektrinio lauko stiprumo vektoriaus E kryptimi, tai judėjimo kryptis bus priešinga jėgai, veikiančiai elektroną, ir jis išeiks anksčiau įgytą kinetinę energiją. Taigi elektronas gali judėti link lauko veikimo tik tada, kai turi tam tikrą pradinį greitį, t.y., tam tikrą kinetinės energijos kiekį.

Praktiškai vienodas elektrinis laukas elektriniuose vakuuminiuose įrenginiuose yra itin retas. Nevienodame lauke intensyvumas skiriasi nuo taško iki taško ir dydžio, ir krypties. Todėl elektroną veikianti jėga taip pat kinta tiek dydžiu, tiek kryptimi.

Elektriniuose vakuuminiuose įrenginiuose kartu su elektriniu lauku daryti įtaką elektronų judėjimas Taip pat naudojamas magnetinis laukas. Jei elektronas yra ramybės būsenoje arba juda lygiagrečiai magnetinio lauko linijai, tada jokia jėga neveikia. Todėl nustatant judančio elektrono ir magnetinio lauko sąveiką reikia atsižvelgti tik į greičio komponentą, statmeną magnetinio lauko linijoms. Jėga F, veikianti elektroną, visada yra statmena magnetinio lauko stiprumo vektoriui ir elektrono greičio torui ( ryžių. 3). Ryžiai. 3. Elektrono judėjimas magnetiniame lauke.

Jėgos F kryptį galima nustatyti pagal „smeigtuko taisyklę“: jei antgalio rankena pasukama kryptimi nuo vektoriaus H į elektronų greičio vektorių υ trumpiausia kampine kryptimi, tada judėjimas į priekįŽiedas sutampa su jėgos F kryptimi. Kadangi jėgos F veikimas visada yra statmenas elektrono judėjimo krypčiai, ši jėga negali atlikti darbo ir veikia tik jo judėjimo kryptį. Elektrono kinetinė energija išlieka ta pati, jis juda pastoviu greičiu. Jėgos F dydis nustatomas pagal formulę

kur e yra elektrono krūvis; H - magnetinio lauko stiprumas; υ p yra elektrono greičio dedamoji, statmena laukui H. Jėga F suteikia elektronui reikšmingą įcentrinis pagreitis, keičiant jo judėjimo trajektoriją. Elektronų trajektorijos kreivumo spindulys nustatomas pagal formulę

(8)

kur H - oersteds; υ p - voltais; r - centimetrais.

Keisdami magnetinio lauko stiprumą, galite pakeisti elektronų trajektorijos spindulį. Jei elektronas kartu turi ir greičio dedamąją elektros linijos magnetinio lauko, tada elektronų trajektorija bus sraigtinė su pastoviu žingsniu.

Dažnai elektronas juda erdvėje, kurioje vienu metu yra elektrinis ir magnetinis laukai. Šiuo atveju, priklausomai nuo elektrono pradinio greičio dydžio ir krypties, taip pat nuo elektrinio ir magnetinio lauko stiprumo, elektronų trajektorija bus kitokios formos.

Tolesnis elektrono judėjimas vyksta veikiant magnetiniam laukui ir elektriniam laukui, kuris jam tapo lėtesnis. Taške C visa kinetinė energija, kurią anksčiau sukaupė elektronas, bus išleista stabdymo elektriniam laukui įveikti. Taško C potencialas lygus taško A potencialui. Elektronas, aprašęs cikloido trajektoriją, grįžta į ankstesnį potencialo lygį.

Elektronų judėjimas magnetiniame lauke.

Magnetiniame lauke judančius elektronus veikia Lorenco jėga, visada nukreipta statmenai greičio vektoriui. Todėl elektronai juda apskritimo lanku. Magnetinis laukas keičia tik elektrono judėjimo kryptį.

Pavyzdžiui, televizoriaus vaizdo vamzdeliuose naudojamas magnetinio pluošto nukreipimas, o osciloskopo katodinių spindulių vamzdyje naudojamas elektrostatinis pluošto nukreipimas.

2) Klasifikacija elektroniniai prietaisai. Elektroninė emisija

Atsižvelgiant į terpę, kurioje juda elektronai, yra:

A) elektroniniai vakuuminiai prietaisai– laisvųjų elektronų šaltinis yra elektronų emisijos reiškinys;

b) jonų dujų išlydžio įtaisai- laisvųjų elektronų šaltinis yra elektronų emisija plius atomų ir molekulių smūginė jonizacija

V) puslaidininkiniai (s/p) įtaisai– veikiant iš atomo išsiskiria elektronai įvairių priežasčių(temperatūros, šviesos, slėgio pokytis), todėl koncentracija nemokama žiniasklaidaĮkrovimas gali būti žymiai didesnis nei vakuuminiuose ir dujų išlydžio įrenginiuose, o tai lemia mažesnius pusiau automatinių prietaisų matmenis, svorį ir kainą.

1.1 tema. Puslaidininkių reiškinių fizika.

1. Puslaidininkiai, puslaidininkių tipai pagal laidumą.

2. Dviejų puslaidininkių kontaktas su skirtingais priemaišų laidumas.

2.1. Tiesioginis ir atvirkštinis įjungiant p-n perėjimas. Pagrindinės savybės.

2.2. CVC p-n sandūra. Gedimo tipai.

2.3. Temperatūros įtaka p-n sandūrai.

3. Puslaidininkio ir metalo kontaktas. Schottky barjeras.

1. Puslaidininkiai – tai medžiagos, turinčios elektros laidumas labai priklauso nuo apšvietimo temperatūros, slėgio ir priemaišų.

Pavyzdžiui, temperatūrai pakilus 1 laipsniu pagal Celsijų, metalo varža padidės 0,4%, o puslaidininkio sumažės 4-8%.

Puslaidininkių pavyzdžiai: germanis(Ge), silicio(Si), medžiagų pagrindu Indija, galio arsenidas.

Puslaidininkių tipai pagal laidumą:

A) vidinis laidumas;

B) priemaišų laidumas;

A) Savitasis laidumas vaizduoja laisvųjų elektronų ir skylių judėjimą, kurių skaičius yra identiškas ir pastebimai priklauso nuo apšvietimo temperatūros ir slėgio.

Vidinis laidumas gali būti stebimas gryname, be priemaišų puslaidininkyje.

Priimtas grynas puslaidininkis, turintis tik vidinis laidumas skambinti puslaidininkis i - tipas.

B) Priemaišų laidumas

Yra dviejų tipų priemaišų laidumas:

- elektroninis priemaišų laidumas gaunamas pridedant priemaišų, kurių valentingumas yra vienu vienetu didesnis už puslaidininkio valentingumą. Be to, 4 iš valentiniai elektronai Kiekvienas priemaišos atomas dalyvauja formuojant ryšius, o penktasis lengvai tampa laisvas nesudarant skylės. Todėl tokiuose puslaidininkiuose vyrauja laisvųjų elektronų.

Puslaidininkiai, kuriuose vyrauja laisvieji elektronai, vadinami puslaidininkiai n tipo.

Pavyzdžiui, Ge (germanis) + As (arsenas) – puslaidininkis n tipo.

- skylės priemaišų laidumas gaunamas pridedant priemaišų, kurių valentingumas yra vienas mažesnis už puslaidininkio valentingumą. Šiuo atveju kiekvienam priemaišos atomui trūksta vieno elektrono, kad užbaigtų ryšį su puslaidininkio atomais, todėl puslaidininkyje vyrauja skylių skaičius.

Puslaidininkiai, kuriuose vyrauja skylės, vadinami puslaidininkiai p tipo .

Pavyzdžiui, Ge + In (indiumas) yra puslaidininkis p tipo.

2. Dviejų puslaidininkių, turinčių skirtingą „n ir p“ tipo priemaišų laidumą, kontaktas vadinamas „p-n“ sandūra.

Sąlyčio taške visada yra elektrinis pereinamasis laukas (E per), nukreiptas iš „n“ srities į „p“ sritį.

d - "p-n" jungties storis

U к – kontaktinė įtampa

Pavyzdys: Ge d= (10 -6 ÷ 10 -8) m ir U k = (0,2–0,3) V.

Didėjant priemaišų koncentracijai, d- mažėja, o Uk didėja.

2.1. Du būdai įjungti pn sankryžą:

aš.tiesioginis p-n sandūros sujungimas p regione pliusas, n regione minusas iš šaltinio, todėl E šaltinyje< E пер прямой ток I пр =0 (на рисунке 6 отрезок ОД), при E ист >E juosta sukuria tiesioginę srovę I pr, kuri pastebimai priklauso nuo įtampos, žr. 3 ir 4 pav.

I priklausomybė nuo U vadinama srovės-tampos charakteristika (voltų-amperų charakteristika).

P-n sandūros su tiesioginiu ryšiu srovės-įtampos charakteristika parodyta 4 pav.

Įjungus tiesiogiai, srovę sukuria pagrindiniai krūvininkai – priemaišų laidumas.

II.Atvirkštinis p-n sandūros perjungimas parodyta 5 paveiksle.

Į p regioną minusas, į n regioną pliusas nuo šaltinio, todėl šaltinio (E šaltinio) elektrinis laukas nukreipiamas palei pereinamąjį lauką ir jį sustiprina, todėl pagrindiniai krūvininkai nedalyvauja kuriant srovę.

Atbulinę srovę I arr sukuria mažumos krūvininkai, kurių skaičius nedidelis, todėl atvirkštinė srovė I arr mažesnė už I r

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

Vėl įjungus, srovė beveik nepriklauso nuo įtampos, žr. I-V charakteristikas 6 paveiksle.

Esant pakankamai didelei atvirkštinei įtampai (Urev max), įvyksta „p-n“ jungties gedimas - tai reiškinys pastebimas srovės padidėjimas (dešimtis ir šimtus kartų).

Yra dviejų tipų gedimai:

- elektros gedimas, stebimas tik vėl įjungus, esant Uob max įtampai, o veikiant šaltinio elektriniam laukui, vyksta smūginė atomų jonizacija, todėl susidaro poros: laisvasis elektronas – skylė, kurių skaičius auga kaip lavina.

Elektros gedimai įvyksta, kai atvirkštinė srovė yra mažesnė už leistiną pereinamąją srovę arba lygi jai (Iper ≤ I pridėti), todėl atsižvelgiama į elektros gedimą grįžtamasis , tai reiškia, kad pašalinus p-n įtampą sandūra atkuria savo savybes. Elektros gedimas 6 paveiksle yra AB sekcija

- terminis gedimasįvyksta tiesioginio arba atvirkštinio perjungimo metu, kai srovė viršija leistinas I pridėti vertes. perėjimas, tuo pačiu pakyla temperatūra, todėl didėja aš, todėl pastebimai pakyla temperatūra ir pan. Dėl to p-n sandūra sunaikinama, todėl vadinamas terminis skilimas negrįžtamas. Terminis suskirstymas 6 paveiksle yra BG sekcija.

2.3. Didėjant temperatūrai, atvirkštinė srovė pastebimai padidėja, nes Tai yra vidinis p/p laidumas, o tiesioginė srovė beveik nesikeičia. Pavyzdžiui, kai temperatūra pakyla 10 laipsnių Celsijaus, atvirkštinė srovė padidėja 2 ÷ 2,5 karto.

Tai reiškia, kad yra temperatūra tcr, kuriai esant atvirkštinė srovė tampa panaši į tiesioginę srovę, t.y. įvyksta terminis gedimas. Ši temperatūra tcr, nuo kurios vidinis laidumas lyginamas su priemaišų laidumu, vadinama kritinė arba degeneracinė temperatūra .

Nors t cr priklauso nuo priemaišų nešėjų koncentracijos, jį lemiantis parametras yra energijos juostos tarpas. Kuo platesnis juostos tarpas, tuo didesnis tcr.

Taigi, jei silicio tcr ≈ 330 ˚С, tada germanio kritinė temperatūra bus žemesnė (~ 100 ˚С).

Taip pat yra žemesnė temperatūra, kuri turi įtakos puslaidininkio laidumui – ši temperatūra, kai priemaiša pradeda rodyti savo laidumą, vadinama aktyvavimo temperatūros taktu.

Visiems puslaidininkiams aktyvavimo temperatūra yra vienoda: t act = -100 0 C.

Todėl visiems puslaidininkiniams įtaisams yra nustatytos darbinės temperatūros ribos.

Pavyzdžiui: Ge → t vergas = – 60 iki +75 0 C;

Si → t vergas = -60 iki +150 0 C.

3. Yra 2 puslaidininkinių ir metalinių kontaktų tipai:

- tiesinimas– šis kontaktas panašus į pn sandūrą, tačiau mažesnis įtampos nuostolis ir didesnis efektyvumas. Išlyginamąjį kontaktą 1937 metais pirmą kartą aprašė vokiečių mokslininkas W. Schottky, todėl lyginantis kontaktas vadinamas Šotkio barjeru ir yra Šotkio diodo, Šotkio tranzistoriaus pagrindas.

- netaisyti – vienodai praleidžia srovę, kai yra tiesiogiai arba atvirkščiai. Naudojamas metaliniams laidams ir puslaidininkiniams įtaisams kurti.

Tema Nr.2. Puslaidininkiniai įtaisai

1. Puslaidininkinių įtaisų klasifikacija;

2. Puslaidininkiniai diodai: zenerio diodas, varikapas, fotodiodas, tunelinis diodas;

2.1. Įrenginys, perjungimo principas, veikimas, pagrindinė savybė, UGO, programa;

3. Bipolinis tranzistorius;

3.1. Tipai, įrenginys, įtraukimo principas, veikimas, pagrindinė savybė, UGO, taikymas;

3.2. Trys perjungimo schemos;

3.3. Pagrindiniai parametrai ir charakteristikos;

3.4. Žymėjimas;

4. Lauko tranzistoriai;

4.1. Tipai, įrenginys, įtraukimo principas, veikimas, pagrindinė savybė, UGO, taikymas;

5. Unijunction tranzistoriai.

Kai kurie elektroniniai prietaisai naudoja magnetinio lauko įtaką jame judantiems elektronams.

§ 3-2, c buvo gauta išraiška (3-6) jėgai, kuria vienodas magnetinis laukas veikia elektroną, judantį statmenai lauko krypčiai. Šios jėgos dydis yra proporcingas magnetinės indukcijos B sandaugai, elektrono krūviui ir jo judėjimo greičiui v statmena lauko krypčiai, t.y. ten taip pat nustatyta, kad šios jėgos kryptis. nustatoma pagal kairiosios rankos taisyklę.

Iš jėgos išraiškos (3-6) išplaukia, kad kai jėga yra , t.y., magnetinis laukas neveikia nejudančio elektrono. Kadangi jėgos F kryptis yra statmena elektrono greičio krypčiai, jos atliktas darbas lygus nuliui. Taigi elektrono energija ir jo greičio dydis išlieka nepakitę, o keičiasi tik elektrono judėjimo kryptis.

Jeigu elektroną veikia tik magnetinis laukas, tai jis judės spindulio apskritimu (13-4 pav.), esančiu plokštumoje, statmenoje nulio krypčiai.

Jėga F yra įcentrinė ir yra subalansuota išcentrinės elektrono jėgos.

Kadangi šios jėgos lygios, galime rašyti

kur nustatomas apskritimo spindulys?

Elektrono masės ir jo krūvio santykis yra pastovus, todėl apskritimo spindulys proporcingas elektrono greičiui ir atvirkščiai proporcingas magnetinei lauko indukcijai.

Ryžiai. 13-4. Elektrono judėjimas magnetiniame lauke pradiniu greičiu v plokštumoje, statmenoje lauko magnetinės indukcijos vektoriui.

Ryžiai. 13-5. Elektrono judėjimas magnetiniame lauke, kurio pradinis greitis nukreiptas ūmiu kampu į lauko magnetinės indukcijos vektorių.

Jeigu pradinis elektrono greitis nėra statmenas lauko krypčiai, tai jį reikėtų skaidyti į dvi dedamąsias: normalųjį, t.y. statmeną lauko krypčiai, ir išilginį, t.y. kryptimi sutampantį su lauku (13 pav.). -5).

Pirmoji greičio dedamoji verčia elektroną judėti apskritimu plokštuma, statmena lauko krypčiai, antroji – tolygiai ir tiesia kryptimi elektroną juda lauko kryptimi, taigi elektronas juda spirale. linija (13-5 pav.).

Darbo tikslas.

Prietaisai ir priedai: el

Įvadas

e, šviesos greitis Su, Plancko konstanta h Kl∙kg -1 .

Magnetinis laukas. IN B B q, juda dideliu greičiu V

F l = q∙[ V∙B] arba F l = |q|VB∙sinα(1)

kur α – V IN .

». B

q> aš

1 pav

q>q< 0) srovės kryptis aš ir greitis V V B r nustatyta iš būklės

, (2)

kur α yra kampas tarp vektorių V Ir B .

Tuo atveju α = 90 0 , sinα

Δ A = F l. Δ r

arba Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Kur β F Δ r .

F l Δ r , β = 90 0 ir cosβ

r

V nukreiptas kampu α prie elektros linijų IN V // = V∙cosα ir uniforma

V ┴ = V∙sinα.

V //

h = VTcos, (7)

Pakeičiant šią išraišką T(7), gauname

. (8)

B .

Elektrinis laukas.Įjungta taškinis mokestis q, E , veikia jėga

F= q E , (9)

Jėgos kryptis F E E .

Pagal antrąjį Niutono dėsnį F= m a

q E = (10)

X greičiu V

Įkrovimo judėjimas išilgai ašies X x= x 0 + Vt(x 0 – pradinė koordinatė, t– laikas), V= const, x 0 = 0. ℓ lygus .

Judėjimas išilgai ašies Y , E y = V m = V 0 m + adresu. U , Kur SU− t= 0) V 0 y = 0 gauname C = 0. .

Y pagal formulę .

U,

IN E , tada gaunama jėga F

F Em = q E + q[V∙B ]. (11)

UVV << скорости света c ) turintis formą

Kur e m

Iš (12) elektronų greičio

. (13)

U, B r

Eksperimentinė sąranka

3 – maitinimo šaltinis IP1 Helmholco ritės; 4 – Helmholco ritės; 5 - maitinimo šaltinis IP2 katodinių spindulių vamzdis.

Eksperimentinės sąrankos funkcinės dalys ir jų jungčių schemos

Helmholco ritės(Helmholtzo žiedai) yra du to paties spindulio bendraašiai žiediniai laidininkai n posūkių skaičius, išdėstytas lygiagrečiose plokštumose koaksialiai, kad atstumas tarp jų būtų lygus žiedų spinduliui (8 pav.).

Fig. 9 paveiksle parodyta Helmholtz ritių prijungimo prie maitinimo šaltinio schema IP1 .

Kai srovė teka per rites, erdvėje tarp jų susidaro magnetinis laukas, pasižymintis dideliu vienodumu. Tai magnetinių laukų superpozicijos, kurią sukelia kiekvienas žiedinio laidininko srovės posūkis, ir visos dviejų žiedinių laidininkų sistemos rezultatas (8 pav.).

Magnetinio lauko indukcija žiedinio srovės laidininko, turinčio vieną apsisukimą, centre išreiškiama formule

Kur R- laidininko kreivio spindulys, aš– srovės stipris jame, µ – magnetinis laidumas, µ 0 – magnetinė konstanta (µ 0 = 4π·10 -7 H/m).

Magnetinio lauko indukcijos dydis ant ritių ašies yra proporcingas srovei aš, tekantis kiekvieno žiedinio laidininko apvijoje ir apsisukimų skaičius juose n. Helmholtzo ritių magnetinės indukcijos lauko teorinis apskaičiavimas naudojant Biot-Savart-Laplace dėsnį ir superpozicijos ašyje principą X sistemos centre veda į pritaikytą skaičiavimo formulę IN, naudojamas šiame darbe

. (15)

Kur R– žiedinio laidininko spindulys, µ 0 = 4π·10 -7 H/m (magnetinė konstanta).

10 paveiksle parodytas magnetinio lauko indukcijos pasiskirstymas erdvėje tarp Helmholtz ritių išilgai ašies x, sutampa su ritinių simetrijos ašimi. Taškinė linija rodo kiekvieno žiedinio laidininko sukurtų magnetinių laukų pasiskirstymą.

Sukurto lauko nehomogeniškumas tinkamai sureguliavus rites negali viršyti 5%.

Katodinių spindulių vamzdis (CRT ), naudojamas eksperimentinėje sąrankoje, parodytas 11 pav. Nuotrauka (vaizdas iš viršaus) taip pat iliustruoja jos vietą tarp Helmholtz ritių vienodo magnetinio lauko srityje. CRT yra pluoštinis tetrodas sferinėje stiklinėje kolboje su vakuumu. Kolboje yra elektronų pistoletas – netiesiogiai šildomas katodas, sumontuotas ant metalinės skersinės rankos su džemperiais. Norint vizualizuoti elektronų pluoštą, stiklinė lemputė pripildoma vandenilio esant žemam slėgiui.

11 pav. Katodinių spindulių vamzdis su Helmholtz ritėmis (vaizdas iš viršaus):

1 – elektronų pistoletas; 2 – traversas su trumpikliais, naudojamas kaip elektronų trajektorijos spindulio įvertinimo skalė;

3 – Helmholtzo ritės.

Katodo skleidžiami elektronai dėl termioninės emisijos yra sufokusuojami elektronų pluošto pistoleto elektrodais pluošto pavidalu ir juda tiesia trajektorija vertikaliai aukštyn. Kai įtampa į Helmholtz rites tiekiama iš maitinimo šaltinio IP1 apgyvendinimo srityje CRT, sukuriamas tolygus magnetinis laukas. Elektronų pluošto trajektorija keičiasi iš tiesios į apskritą.

Efektas vizualiai stebimas silpnu melsvu švytėjimu stiklinės lemputės viduje, atitinkančiu elektronų pluošto trajektoriją. Vizualizuotos elektronų trajektorijos skersmuo įvertinamas naudojant skersinį, esantį kolboje su keliais džemperiais, padengtais fosforu (12 pav.).

13 paveiksle parodyta prijungimo prie maitinimo šaltinio schema IP2

katodinių spindulių vamzdis, nurodantis šaltinio parametrų pokyčių diapazoną.

Ryžiai. 14. Maitinimas Helmholtz ritėms ( IP1 ) (priekinio skydelio nuotrauka).

Ryžiai. 15. Katodinių spindulių vamzdžio maitinimo šaltinis ( IP2 ) (priekinio skydelio nuotrauka).

Darbo tvarka

1 PASTABA.

Visi įrenginiai ir funkciniai instaliacijos elementai yra sujungti jungiamaisiais laidais.

NELIESKITE!

DĖMESIO.

Atliekant darbus būtina griežtai laikytis darbo vietoje ir laboratorijoje nustatytų saugos taisyklių.

DĖMESIO.

DĖMESIO.

GREITINIMO ĮTAMPOS CRT nuo 100 iki 300 V

Matavimai turi būti atliekami tamsioje patalpoje, kad būtų galima stebėti elektronų pluošto trajektoriją.

4 PASTABA. Eksperimentinėje sąrankoje taip pat galima išmatuoti elektronų pluošto trajektorijos spindulį naudojant trečią skalės trumpiklį iš kairės, esantį stiklinėje kolboje, kad būtų galima įrašyti. CRT. Jis atitinka elektronų pluošto spindulį r 3

= 0,03 m (12 pav.).

14. Šie matavimai turi būti atliekami mokytojo pageidavimu. Keletą kartų pakartokite 11 ir 12 veiksmus, stebėdami elektronų pluošto susikirtimą su trečiuoju trumpikliu. U 15. Atitinkamų charakteristikų porų matavimo duomenys: greitėjimo įtampa aš ir srovė ritėse Jis atitinka elektronų pluošto spindulį ir kiekvienam eksperimentui adresu= 0,03 m

įeiti į stalą 2.

16. Išjunkite matavimo įrenginį.

Išjungimo tvarka: IP1 a) naudokite reguliavimo rankenėles, kad sumažintumėte srovę Helmholtz ritėse iki nulio (pasukite į kraštinę kairę padėtį). Įjungta

b) naudokite reguliavimo rankenėles, kad sumažintumėte katodinių spindulių vamzdžio greitinimo įtampą iki nulio (pasukite į kraštinę kairę padėtį IP2 2 ir 3 rankenos).

c) išjunkite maitinimo šaltinius IP1 Ir IP2 (perjungimo jungikliai galiniame skydelyje).

1 lentelė

2 lentelė

Nuorodos

1. Yavorsky B.M., Detlafas A.A. Fizikos kursas. – M.: Leidykla „Akademija“, 2005 ir toliau. – 720 s.

2. Trofimova T.I. Fizikos kursas. – M.: Aukštoji mokykla, 2004 ir toliau. – 544 p.

3. Saveljevas I.V. Bendrosios fizikos kursas 3 tomuose. – M.: Astrel AST, 2007 ir toliau.

Zakharova T.V. (bendras leidimas) Fizika. Užduočių rinkinys testo formoje, 2 dalis. – M.: MIIT, 2010 – 192 p.

ELEKTRONŲ JUDĖJIMAS MAGNETINIAME LAUKE

Darbo tikslas. Specifinio elektrono krūvio pagal žinomą elektronų pluošto trajektoriją nustatymas elektriniuose ir kintamuosiuose magnetiniuose laukuose.

Prietaisai ir priedai: el eksperimentinis „PHYWE“ prekės ženklo nustatymas iš HYWE Systems GmbH & Co. (Vokietija), kurią sudaro: katodinių spindulių vamzdis; Helmholtz ritės (1 pora); universalus maitinimo blokas (2 vnt.); skaitmeninis multimetras (2 vnt.); įvairiaspalviai jungiamieji laidai.

Įvadas

Elementariosios dalelės savitasis krūvis yra dalelės krūvio ir jos masės santykis. Ši charakteristika plačiai naudojama dalelėms identifikuoti, nes leidžia atskirti viena nuo kitos skirtingas daleles, turinčias vienodus krūvius (pavyzdžiui, elektronus iš neigiamai įkrautų miuonų, pionų ir kt.).

Specifinis elektrono krūvis reiškia pagrindines fizines konstantas, tokias kaip elektrono krūvis e, šviesos greitis Su, Plancko konstanta h ir tt Jo teorinė reikšmė = (1,75896 ± 0,00002)∙10 11 Kl∙kg -1 .

Daugybė eksperimentinių dalelių specifinio krūvio nustatymo metodų yra pagrįsti jų judėjimo magnetiniame lauke charakteristikų tyrimais. Papildomos galimybės suteikiamos naudojant magnetinių ir elektrinių laukų konfigūraciją bei keičiant jų parametrus. Šiame darbe specifinis elektrono krūvis nustatomas eksperimentinėje „PHYWE“ prekės ženklo instaliacijoje, pagamintoje Vokietijoje. Joje, tiriant elektronų judėjimo magnetiniame lauke trajektorijas, įgyvendintas metodas, pagrįstas vienodų magnetinių ir elektrinių laukų parametrų keitimo galimybių deriniu su jų tarpusavio statmena konfigūracija. Šis vadovas buvo sukurtas naudojant kartu su įrenginiu pateiktą dokumentaciją.

Magnetinis laukas. Eksperimentai rodo, kad magnetinis laukas veikia jame judančias įkrautas daleles Jėgos charakteristika, lemianti šį poveikį, yra magnetinė indukcija – vektorinis dydis IN .Magnetinis laukas vaizduojamas naudojant magnetinės indukcijos linijas, kurių liestinės kiekviename taške sutampa su vektoriaus kryptimi B . Kad būtų vienodas magnetinis laukas, vektorius B pastovus dydis ir kryptis bet kuriame lauko taške. Jėga, veikianti pagal kaltinimą q, juda dideliu greičiu V magnetiniame lauke, nustatė vokiečių fizikas G. Lorencas (Lorenco jėga). Jis išreiškiamas formule

F l = q∙[ V∙B] arba F l = |q|VB∙sinα(1)

kur α – greičio vektoriaus suformuotas kampas V judančių dalelių ir magnetinio lauko indukcijos vektorius IN .

Į stacionarų elektros krūvis magnetinis laukas neturi jokio poveikio. Tai yra reikšmingas jo skirtumas nuo elektrinio lauko.

Lorenco jėgos kryptis nustatoma naudojant kairiosios rankos taisyklę ». Jei kairės rankos delnas yra taip, kad vektorius patektų į jį B ir nukreipkite keturis ištiestus pirštus

teigiamų krūvių judėjimo kryptis ( q>0), sutampa su srovės kryptimi aš(), tada sulenktas nykščiu

1 pav

parodys veikiančios jėgos kryptį teigiamas krūvis (q>0) (1 pav.). Esant neigiamiems krūviams ( q< 0) srovės kryptis aš ir greitis V judesiai yra priešingi. Lorenco jėgos kryptis nustatoma pagal srovės kryptį. Taigi Lorenco jėga yra statmena greičio vektoriui, todėl veikiant šiai jėgai greičio modulis nepasikeis. Bet kada pastovus greitis, kaip matyti iš (1) formulės, Lorenco jėgos reikšmė taip pat išlieka pastovi. Iš mechanikos žinoma, kad nuolatinė jėga, statmenas greičiui, sukelia judėjimą apskritimu, tai yra, yra įcentrinis. Nesant kitų jėgų, pagal antrąjį Niutono dėsnį, jis suteikia krūviui įcentrinį arba normalus pagreitis. Krūvio trajektorija vienodame magnetiniame lauke ties V B yra apskritimas (2 pav.), kurio spindulys r nustatyta iš būklės

, (2)

kur α yra kampas tarp vektorių V Ir B .

Tuo atveju α = 90 0 , sinα= 1 iš (2) formulės, krūvio apskritimo trajektorijos spindulys nustatomas pagal formulę

Darbas su judančiu krūviu magnetiniame lauke nuolatinė jėga Lorencas, lygus

Δ A = F l. Δ r

arba Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Kur β – kampas tarp jėgos vektorių krypties F l. ir poslinkio vektoriaus kryptis Δ r .

Kadangi sąlyga visada tenkinama F l Δ r , β = 90 0 ir cosβ= 0, tada Lorenco jėgos atliktas darbas, kaip matyti iš (4), visada lygus nuliui. Vadinasi, absoliuti vertė krūvio greitis ir jo kinetinė energija judant magnetiniame lauke išlieka pastovūs.

Sukimosi laikotarpis (vieno pilnas apsisukimas), yra lygus

Vietoj spindulio pakeičiama į (5). r jo išraiška iš (3), gauname, kad įkrautų dalelių sukamasis judėjimas magnetiniame lauke turi svarbi savybė: orbitos periodas nepriklauso nuo dalelių energijos, jis priklauso tik nuo magnetinio lauko indukcijos ir specifinio krūvio atvirkštinės vertės:

Jei magnetinis laukas vienodas, bet pradinis įkrautos dalelės greitis V nukreiptas kampu α prie elektros linijų IN , tada judesys gali būti pavaizduotas kaip dviejų judesių superpozicija: vienoda tiesinė kryptimi, lygiagrečiai magnetiniam laukui su greičiu V // = V∙cosα ir uniforma

sukimasis, veikiant Lorenco jėgai, magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje greičiu V ┴ = V∙sinα.

Dėl to dalelės trajektorija bus sraigtinė linija (3 pav.).

Sraigtinis žingsnis lygus atstumui, pralėkė užtaisu palei lauką greičiu V // už laiką lygus laikotarpiui sukimasis

h = VTcos, (7)

Pakeičiant šią išraišką T(7), gauname

. (8)

Spiralės ašis yra lygiagreti magnetinio lauko linijoms B .

Elektrinis laukas. Iki taško mokesčio q, patalpintas į elektrinį lauką, kuriam būdingas įtampos vektorius E , veikia jėga

F= q E , (9)

Jėgos kryptis F sutampa su vektoriaus kryptimi E , jei krūvis yra teigiamas, ir priešingas E esant neigiamam krūviui . Vienodame elektriniame lauke intensyvumo vektorius bet kuriame lauko taške yra pastovus pagal dydį ir kryptį. Jei judėjimas vyksta tik vienodo elektrinio lauko jėgos linijomis, jis yra tolygiai pagreitintas tiesinis.

Pagal antrąjį Niutono dėsnį F= m a krūvio judėjimo elektriniame lauke lygtis išreiškiama formule

q E = (10)

Tarkime, kad esmė neigiamas krūvis, iš pradžių judant išilgai ašies X greičiu V , patenka į vienodą elektrinį lauką tarp plokščių plokščias kondensatorius, kaip parodyta pav. 4.

Įkrovimo judėjimas išilgai ašies X yra vienoda, jos kinematinė lygtis x= x 0 + Vt(x 0 – pradinė koordinatė, t– laikas), V= const, x 0 = 0. Kondensatoriaus įkrovos skrydžio laikas, atsižvelgiant į plokščių ilgį ℓ lygus .

Judėjimas išilgai ašies Y lemia kondensatoriaus viduje esantis elektrinis laukas. Jei tarpas tarp plokščių yra mažas, palyginti su jų ilgiu , krašto efektų galima nepaisyti, o elektrinis laukas tarp plokščių gali būti laikomas vienodu ( E y = const). Krūvio judėjimas bus tolygiai pagreitintas V m = V 0 m + adresu. U pagreitis nustatomas pagal (10) formulę. Atlikę integraciją (10), gauname , Kur SU− integravimo konstanta. At pradinė būklė (t= 0) V 0 y = 0 gauname C = 0. .

Įkrautos dalelės judėjimo vienodame plokščio kondensatoriaus elektriniame lauke trajektorija ir pobūdis yra panašūs į panašias judėjimo charakteristikas horizontaliai išmesto kūno gravitaciniame lauke. Įkrautos dalelės nukreipimas išilgai ašies Y lygus . Atsižvelgiant į charakterį veikianti jėga tai priklauso nuo pagal formulę .

Kai krūvis juda elektriniame lauke tarp taškų, kurie turi potencialų skirtumą U, darbą atlieka elektrinis laukas, dėl kurio krūvis įgyja kinetinę energiją. Pagal energijos tvermės dėsnį

Jei judantis elektros krūvis, be to, magnetinis laukas su indukcija IN taip pat yra elektrinis laukas su intensyvumu E , tada gaunama jėga F , kuri lemia jo judėjimą, yra lygi jėgos, veikiančios iš elektrinio lauko, ir Lorenco jėgos vektorinei sumai

F Em = q E + q[V∙B ]. (11)

Ši išraiška vadinama Lorenco formule.

Šiame laboratoriniai darbai elektronų judėjimas magnetiniuose ir elektriniai laukai. Visi aukščiau aptarti santykiai savavališkas mokestis, galioja ir elektronui.

Darome prielaidą, kad pradinis elektrono greitis lygus nuliui. Patekęs į elektrinį lauką, krūvis jame pagreitėja ir, peržengęs potencialų skirtumą U, įgauna tam tikrą greitį V. Tai galima nustatyti pagal energijos tvermės dėsnį. Nereliatyvistinio greičio atveju ( V << скорости света c ) turintis formą

Kur e= –1,6∙10 –19 C – elektronų krūvis, m e = 9,1∙10 -31 kg – jo masė.

Iš (12) elektronų greičio

Pakeitę jį į (3), gauname formulę, kaip rasti apskritimo, kuriuo elektronas juda magnetiniame lauke, spindulį:

. (13)

Taigi, žinant potencialų skirtumą U, pagreitinti elektronus, kai jie juda elektriniame lauke iki nereliatyvistinio greičio, vienodo magnetinio lauko indukcija B, kuriame šie elektronai juda, aprašydami apskritimo trajektoriją ir eksperimentiškai nustatydami nurodytos apskritimo trajektorijos spindulį r, galite apskaičiuoti specifinį elektrono krūvį naudodami formulę

Eksperimentinė sąranka

Matavimo stovo nuotrauka parodyta 5 pav.

Fig. 6 paveiksle parodyta „PHYWE“ prekės ženklo eksperimentinės sąrankos nuotrauka.

Fig. 7 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai eksperimentinės sąrankos komponentai su funkcinių dalių pavadinimais.

7 pav. Eksperimentinė sąranka:

1 – katodinių spindulių vamzdis; 2, 6 – skaitmeniniai multimetrai;

3 – maitinimo šaltinis IP1 Helmholco ritės; 4 – Helmholco ritės; 5 - šaltinis p

Žemiau pateikiamos problemų sąlygos ir nuskaityti sprendimai. Jei jums reikia išspręsti problemą šia tema, galite rasti panašią sąlygą čia ir išspręsti savo problemą pagal analogiją. Puslapio įkėlimas gali šiek tiek užtrukti dėl didelio vaizdų skaičiaus. Jei jums reikia fizikos problemų sprendimo ar pagalbos internetu, susisiekite su mumis, mielai padėsime.

Krūvio judėjimas magnetiniame lauke gali vykti tiesia linija, apskritimu arba spirale. Jei kampas tarp greičio vektoriaus ir magnetinio lauko linijų nėra lygus nuliui ar 90 laipsnių, krūvis juda spirale – magnetinio lauko jį veikia Lorenco jėga, kuri suteikia jam įcentrinį pagreitį.

Dalelė, pagreitinta 100 V potencialų skirtumu, juda magnetiniame lauke su 0,1 T indukcija 6,5 ​​cm spindulio spirale 1 cm žingsniu Raskite dalelės krūvio ir jos masės santykį.

Elektronas skrieja 1 mm/s greičiu į magnetinį lauką, esantį 60 laipsnių kampu su jėgos linijomis. Magnetinio lauko stipris 1,5 kA/m. Raskite spiralės, kuria judės elektronas, spindulį ir žingsnį.

Elektronas juda magnetiniame lauke, kurio indukcija yra 100 μT, spirale, kurios spindulys yra 5 cm, o žingsnis – 20 cm Raskite elektrono greitį.

Elektronas, pagreitintas 800 V potencialo skirtumu, juda magnetiniame lauke, kurio indukcija yra 4,7 mT spirale, kurios žingsnis yra 6 cm. Raskite spiralės spindulį.

Protonas, pagreitintas 300 V potencialų skirtumo, įskrenda į magnetinį lauką 30 laipsnių kampu jėgos linijoms. Magnetinio lauko indukcija 20 mT. Raskite spiralės, kuria judės protonas, spindulį ir žingsnį.

Elektronas, pagreitintas 6 kV potencialų skirtumo, įskrenda į magnetinį lauką 30 laipsnių kampu jėgos linijoms. Magnetinio lauko indukcija 13 mT. Raskite spiralės, kuria judės elektronas, spindulį ir žingsnį.

Alfa dalelė, pagreitinta potencialų skirtumo U, įskrenda į magnetinį lauką kampu į lauko linijas. Magnetinio lauko indukcija 50 mT. Spiralės spindulys ir žingsnis – dalelės trajektorija – yra atitinkamai 5 cm ir 1 cm. Nustatykite potencialų skirtumą U.

Elektronas 1 mm/s greičiu įskrenda į magnetinį lauką, esantį 30 laipsnių kampu su jėgos linijomis. Magnetinio lauko indukcija 1,2 mT. Raskite spiralės, kuria judės elektronas, spindulį ir žingsnį.

Elektronas skrieja 6 mm/s greičiu į magnetinį lauką, esantį 30 laipsnių kampu su jėgos linijomis. Magnetinio lauko indukcija 1,0 mT. Raskite spiralės, kuria judės elektronas, spindulį ir žingsnį.

Elektronas juda magnetiniame lauke, kurio indukcija yra 5 mT, spirale, kurios žingsnis yra 5 cm, o spindulys yra 2 cm. Nustatykite elektrono greitį ir kinetinę energiją bei kampą tarp elektrono greičio vektorių ir magnetinė lauko indukcija.