İki düz, paralel elektrot bir vakuma yerleştirilirse ve bir elektromotor kuvvet kaynağına bağlanırsa, elektrotlar arasındaki boşlukta kuvvet çizgileri düz, birbirine paralel ve dik olacak bir elektrik alanı oluşur. Her iki elektrotun yüzeyleri.

Açık pirinç. 1 a harfi E B pilinin “+” ucuna bağlanan elektrodu, k harfi ise E B pilinin “-” ucuna bağlanan elektrodu ifade eder. Alanın konfigürasyonunu değiştirirseniz, bu yük, alan kuvveti E ile yük miktarı -e'nin çarpımına eşit olan F kuvveti üzerine etki edecektir:

Eksi işareti, negatif yük -e'ye etki eden F kuvvetinin ve E alan kuvvetinin sahip olduğunu gösterir. zıt yönler. Düzgün bir elektrik alanı için, yoğunluk E ile elektrotlar arasındaki mesafenin (h) çarpımı, elektronlar arasında uygulanan potansiyel farkına eşittir:

Eh = U'dan -U a'ya,

ve U k ve U a, k ve a elektrotlarının potansiyelleridir.

Buna göre bir elektronu bir elektrottan diğerine hareket ettirirken alanın yaptığı iş şuna eşit olacaktır:

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

(3) Elektron kazanır kinetik enerji

(4)

ve elektrottan elektrota eşit şekilde hızlanarak hareket edecektir. Elektronun elektrot a'ya ulaştığı hız υ eşitlikten belirlenebilir. burada m elektron kütlesidir; υa elektronun a elektrotundaki hızıdır; υ k - elektrottaki elektron hızı k ().

başlangıç ​​hızı Elektronun başlangıçtaki hızını ihmal edersek, formül (4) basitleştirilebilir: elektron yükünün kütlesine oranı değiştirilerek sayısal değer

(5)

ve potansiyelleri volt cinsinden ve hızı m/sn cinsinden ifade edersek şunu elde ederiz:

Bir elektronun elektrotlar arasındaki h mesafesini kat etmesi için geçen süre aşağıdaki formülle belirlenir:

Elektron, elektrik alan kuvvet vektörü E'nin yönüne denk gelen bir yönde hareket ederse, hareket yönü elektrona etki eden kuvvetin tersi olacak ve daha önce elde edilen kinetik enerjiyi harcayacaktır. Bu nedenle, bir elektron ancak belirli bir başlangıç ​​hızına, yani belirli bir miktarda kinetik enerjiye sahipse alanın etkisine doğru hareket edebilir.

Elektrikli vakum cihazlarında pratik olarak tekdüze bir elektrik alanı son derece nadirdir. Düzgün olmayan bir alanda yoğunluk hem büyüklük hem de yön açısından noktadan noktaya değişir. Dolayısıyla elektrona etki eden kuvvetin hem büyüklüğü hem de yönü değişir.

Elektrikli vakum cihazlarında, bir elektrik alanıyla birlikte etki etmek için elektron hareketi Manyetik alan da kullanılır. Elektron hareketsizse veya manyetik alan çizgisine paralel hareket ediyorsa, ona hiçbir kuvvet etki etmez. Bu nedenle, hareketli bir elektron ile manyetik alanın etkileşimi belirlenirken yalnızca manyetik alan çizgilerine dik olan hız bileşeni dikkate alınmalıdır. Elektrona etki eden F kuvveti her zaman manyetik alan kuvvet vektörüne ve elektron hızı torusuna diktir ( pirinç. 3). Pirinç. 3. Elektronun manyetik alandaki hareketi.

F kuvvetinin yönü "burgu kuralı" ile belirlenebilir: eğer jiletin sapı H vektöründen elektron hız vektörü υ'ya doğru en kısa açısal yönde döndürülürse, o zaman ileri hareket Burgu, F kuvvetinin yönü ile çakışmaktadır. F kuvvetinin etkisi her zaman elektronun hareket yönüne dik olduğundan, bu kuvvet iş yapamaz ve yalnızca hareketinin yönünü etkiler. Elektronun kinetik enerjisi aynı kalır; sabit bir hızla hareket eder. F kuvvetinin büyüklüğü formülle belirlenir

burada e elektron yüküdür; H - manyetik alan kuvveti; υ p, elektron hızının H alanına dik bileşenidir. F kuvveti, elektrona önemli bir kuvvet verir. merkezcil ivme, hareketinin yörüngesini değiştirirken. Elektron yörüngesinin eğrilik yarıçapı formülle belirlenir

(8)

burada H - oersteds cinsinden; υ p - volt cinsinden; r - santimetre cinsinden.

Manyetik alan gücünü değiştirerek elektron yörüngesinin yarıçapını değiştirebilirsiniz. Elektronun ayrıca bir hız bileşeni varsa elektrik hatları manyetik alan, elektronun yörüngesi sabit adımlı sarmal olacaktır.

Çoğu zaman bir elektron, aynı anda elektrik ve manyetik alanların bulunduğu bir uzayda hareket eder. Bu durumda elektronun başlangıç ​​hızının büyüklüğüne ve yönüne, ayrıca elektrik ve manyetik alanların gücüne bağlı olarak elektron yörüngesi farklı bir şekle sahip olacaktır.

Elektronun daha fazla hareketi, bir manyetik alanın ve onun için yavaşlayan bir elektrik alanının etkisi altında meydana gelir. C noktasında, elektronun daha önce depoladığı kinetik enerjinin tamamı fren yapan elektrik alanının üstesinden gelmek için harcanacaktır. C noktasının potansiyeli, A noktasının potansiyeline eşittir. Sikloid bir yörünge tanımlayan elektron, önceki potansiyel seviyesine geri döner.

Elektronların manyetik alanda hareketi.

Manyetik bir alanda, hareket eden elektronlar, her zaman hız vektörüne dik olarak yönlendirilen Lorentz kuvvetinin etkisi altındadır. Bu nedenle elektronlar dairesel bir yay çizerek hareket ederler. Manyetik alan yalnızca elektronun hareket yönünü değiştirir.

Örneğin, TV resim tüpleri manyetik ışın sapmasını kullanır ve bir osiloskop katot ışın tüpü elektrostatik ışın sapmasını kullanır.

2) Sınıflandırma elektronik cihazlar. Elektronik emisyon

Elektronların hareket ettiği ortama bağlı olarak:

A) elektronik vakum cihazları– serbest elektronların kaynağı elektron emisyonu olgusudur;

B) iyon gazı deşarj cihazları- serbest elektronların kaynağı elektron emisyonu artı atom ve moleküllerin darbeli iyonizasyonudur

V) yarı iletken (s/p) cihazlar– Etkisi altında atomdan elektronlar salınır. çeşitli nedenler(sıcaklık, ışık, basınçtaki değişiklik) dolayısıyla konsantrasyon özgür medyaŞarj, vakum ve gaz deşarjlı cihazlara göre önemli ölçüde daha fazla olabilir ve bu, yarı otomatik cihazların daha küçük boyutlarına, ağırlığına ve maliyetine yol açar.

Konu 1.1. Yarı iletkenlerdeki olayların fiziği.

1. Yarıiletkenler, iletkenliklerine göre yarıiletken çeşitleri.

2. İki yarı iletkenin farklı iletkenlerle teması safsızlık iletkenliği.

2.1. Doğrudan ve ters p-n'yi açıyorum geçiş. Temel özellikler.

2.2. CVC p-n kavşağı. Arıza türleri.

2.3. Sıcaklığın p-n bağlantısı üzerindeki etkisi.

3. Yarı iletken ile metal arasındaki temas. Schottky bariyeri.

1. Yarı iletkenler - bunlar sahip olan maddelerdir elektriksel iletkenlikönemli ölçüde aydınlatma sıcaklığına, basınca ve safsızlığa bağlıdır.

Örneğin sıcaklığın 1 santigrat derece artmasıyla metalin direnci %0,4 artacak, yarı iletkenin direnci ise %4-8 azalacaktır.

Yarı iletken örnekleri: germanyum(Ge), silikon(Si), madde bazlı Hindistan, galyum arsenit.

İletkenliğe göre yarı iletken türleri:

A) içsel iletkenlik;

B) kirlilik iletkenliği;

A) İçsel iletkenlik sayısı aynı olan ve aydınlatma sıcaklığına ve basınca önemli ölçüde bağlı olan serbest elektronların ve deliklerin hareketini temsil eder.

Saf, saf olmayan bir yarı iletkende içsel iletkenlik gözlemlenebilir.

Kabul edilen bir saf yarı iletken yalnızca içsel iletkenlik Arama yarı iletken ben - yazın.

B) Safsızlık iletkenliği

İki tür safsızlık iletkenliği vardır:

- elektronik kirlilik iletkenliği yarı iletkenin değerinden bir birim daha büyük değerlikteki safsızlıkların eklenmesiyle elde edilir. Üstelik 4'ü değerlik elektronları Her safsızlık atomu bağ oluşumuna katılır ve beşincisi bir delik oluşmadan kolayca serbest hale gelir. Bu nedenle, bu tür yarı iletkenler hakimdir. serbest elektronlar.

Serbest elektronların çoğunlukta olduğu yarıiletkenlere denir yarı iletkenler n tipi.

Örneğin Ge (germanyum) + As (arsenik) – yarı iletken n tipi.

- delik safsızlık iletkenliği yarı iletkenin değerinden bir daha düşük değerliliğe sahip yabancı maddelerin eklenmesiyle elde edilir. Bu durumda, her bir safsızlık atomu, yarı iletken atomlarla bağı tamamlayacak bir elektrondan yoksundur; bu nedenle, yarı iletkendeki deliklerin sayısı baskındır.

Deliklerin baskın olduğu yarı iletkenlere denir yarı iletkenler p tipi .

Örneğin Ge + In (indiyum) bir yarı iletkendir p tipi.

2. Farklı safsızlık iletkenliği “n ve p” tipine sahip iki yarı iletkenin temasına “p-n” bağlantısı denir.

Temas noktasında her zaman “n” bölgesinden “p” bölgesine yönlendirilen bir elektrik geçiş alanı (E per) bulunur.

d - “p-n” bağlantısının kalınlığı

U к – kontak voltajı

Örnek: Ge d= (10 -6 ÷ 10 -8) m ve U k = (0,2 ila 0,3) V.

Safsızlık konsantrasyonu arttıkça d- azalır ve Uk artar.

2.1. Bir pn bağlantısını açmanın iki yolu:

BEN.p-n bağlantısının doğrudan bağlantısı p-bölgesinde artı, n-bölgesinde eksi kaynaktan, dolayısıyla E kaynağından< E пер прямой ток I пр =0 (на рисунке 6 отрезок ОД), при E ист >E şeridi, voltaja önemli ölçüde bağlı olan bir ileri akım I pr oluşturur, bkz. Şekil 3 ve Şekil 4.

I'nin U'ya bağımlılığı denir akım-gerilim karakteristiği (volt-amper karakteristiği).

Doğrudan bağlantılı p-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği Şekil 4'te gösterilmektedir.

Doğrudan açıldığında akım, ana yük taşıyıcıları - safsızlık iletkenliği - tarafından oluşturulur.

II.P-n bağlantısının ters anahtarlanmasıŞekil 5'te gösterilmiştir.

P-bölgesine eksi, n-bölgesine artı kaynaktan, bu nedenle kaynağın (E kaynağı) elektrik alanı geçiş alanı boyunca yönlendirilir ve onu güçlendirir, bu nedenle ana yük taşıyıcıları akımın oluşturulmasına katılmazlar.

Ters akım I arr, sayısı küçük olan azınlık yük taşıyıcıları tarafından yaratılır, bu nedenle ters akım I arr, I r'den küçüktür.

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

Tekrar açıldığında akım neredeyse voltajdan bağımsızdır, bkz. Şekil 6'daki I-V karakteristiği.

Yeterince büyük bir ters voltajla (Urev max), "p-n" bağlantısında bir arıza meydana gelir - bu bir olgudur akımda gözle görülür bir artış (onlarca ve yüzlerce kez).

İki tür arıza vardır:

- elektrik arızası, yalnızca tekrar açıldığında Uob max voltajında ​​​​gözlenir, kaynağın elektrik alanının etkisi altında atomların darbe iyonlaşması meydana gelir, bu nedenle çiftler oluşur: serbest elektron - delik sayısı çığ gibi artıyor.

Elektrik arızaları şu durumlarda meydana gelir: ters akım izin verilen geçiş akımından küçük veya ona eşit (Iper ≤ I ekliyorum) bu nedenle elektrik arızası dikkate alınır geri dönüşümlü Bu, p-n voltajı kaldırıldığında bağlantının özelliklerini geri yüklediği anlamına gelir. Şekil 6'daki elektrik arızası AB bölümüdür

- termal bozulma akım I'in izin verilen değerlerini aştığında doğrudan veya ters anahtarlama sırasında meydana gelir. geçiş, aynı zamanda sıcaklık artar, bu nedenle I artar, bu nedenle sıcaklık gözle görülür şekilde artar, vb. Sonuç olarak p-n bağlantısı bozulur, bu nedenle termal bozulma denir. geri döndürülemez. Şekil 6'daki termal döküm BG bölümüdür.

2.3. Sıcaklık arttıkça ters akım belirgin şekilde artar, çünkü Bu, p/p'nin içsel iletkenliğidir ve ileri akım neredeyse değişmeden kalır. Örneğin sıcaklık 10 santigrat derece arttığında ters akım 2 ÷ 2,5 kat artar.

Bu, ters akımın ileri akımla karşılaştırılabilir hale geldiği bir tcr sıcaklığının olduğu anlamına gelir; termal bozulma meydana gelir. İçsel iletkenliğin safsızlık iletkenliği ile karşılaştırılabilir olduğu bu sıcaklık tcr'ye denir. kritik veya dejenerasyon sıcaklığı .

Tcr, safsızlık taşıyıcılarının konsantrasyonuna bağlı olmasına rağmen, bunun için belirleyici parametre enerji bant aralığıdır. Bant aralığı ne kadar geniş olursa tcr de o kadar büyük olur.

Dolayısıyla, silikon tcr için ≈ 330 ˚С ise, germanyum için kritik sıcaklık daha düşük olacaktır (~ 100 ˚С).

Ayrıca yarı iletkenin iletkenliğini etkileyen daha düşük bir sıcaklık da vardır; safsızlığın iletkenliğini göstermeye başladığı bu sıcaklığa aktivasyon sıcaklığı inceliği denir.

Tüm yarı iletkenler için aktivasyon sıcaklığı aynıdır: tact = -100 0 C.

Bu nedenle tüm yarı iletken cihazlar için çalışma sıcaklığı sınırları vardır.

Örneğin: Ge → t köle = – 60 ila +75 0 C;

Si → t bağımlı = -60 ila +150 0 C.

3. 2 tip yarı iletken ve metal kontak vardır:

- doğrultma– bu kontak bir pn bağlantısına benzer, ancak daha az voltaj kaybı ve daha yüksek verimlilik sağlar. Doğrultucu kontak ilk olarak 1937'de W. Schottky tarafından bir Alman bilim adamı tarafından tanımlandı, bu nedenle doğrultucu kontak Schottky bariyeri olarak adlandırılır ve Schottky diyotunun, Schottky transistörünün temelini oluşturur.

- düzeltilmeyen – Doğrudan veya ters bağlandığında akımı eşit şekilde iletir. Metal uçlar ve yarı iletken cihazlar oluşturmak için kullanılır.

2 numaralı konu. Yarı iletken cihazlar

1. Yarı iletken cihazların sınıflandırılması;

2. Yarı iletken diyotlar: zener diyot, varikap, fotodiyot, tünel diyot;

2.1. Cihaz, anahtarlama prensibi, çalışması, ana özelliği, UGO, uygulaması;

3. Bipolar transistör;

3.1. Çeşitleri, cihazı, dahil edilme prensibi, işleyişi, ana özelliği, UGO, uygulaması;

3.2. Üç anahtarlama şeması;

3.3. Ana parametreler ve özellikler;

3.4. İşaretleme;

4. Alan etkili transistörler;

4.1. Çeşitleri, cihazı, dahil edilme prensibi, işleyişi, ana özelliği, UGO, uygulaması;

5. Tek bağlantılı transistörler.

Bazı elektronik cihazlar, manyetik alanın içinde hareket eden elektronlar üzerindeki etkisini kullanır.

Madde 3-2, c'de, düzgün bir manyetik alanın, alanın yönüne dik olarak hareket eden bir elektrona etki ettiği kuvvet için ifade (3-6) elde edilmiştir. Bu kuvvetin büyüklüğü, manyetik indüksiyon B'nin çarpımı, elektronun yükü ve alan yönüne dik yönde hareket hızı v ile orantılıdır, yani. Ayrıca bu kuvvetin yönünün de olduğu tespit edilmiştir. sol el kuralıyla belirlenir.

Kuvvet ifadesinden (3-6), kuvvet olduğunda, yani manyetik alanın sabit bir elektrona etki etmediği sonucu çıkar. F kuvvetinin yönü elektronun hızının yönüne dik olduğundan yaptığı iş sıfırdır. Böylece elektronun enerjisi ve hızının büyüklüğü değişmeden kalır ve yalnızca elektronun hareket yönü değişir.

Elektron yalnızca manyetik alandan etkileniyorsa, sıfır yönüne dik bir düzlemde bulunan yarıçaplı bir daire (Şekil 13-4) boyunca hareket edecektir.

F kuvveti merkezcildir ve elektronun merkezkaç kuvveti ile dengelenir.

Bu kuvvetler eşit olduğundan şunu yazabiliriz:

Bir dairenin yarıçapı nerede belirlenir?

Bir elektronun kütlesinin yüküne oranı sabittir, bu nedenle dairenin yarıçapı elektronun hızıyla orantılı ve alanın manyetik indüksiyonuyla ters orantılıdır.

Pirinç. 13-4. Bir elektronun manyetik alan içinde, alanın manyetik indüksiyon vektörüne dik bir düzlemde başlangıç ​​hızı v ile hareketi.

Pirinç. 13-5. Bir elektronun, alanın manyetik indüksiyon vektörüne dar bir açıyla yönlendirilen bir başlangıç ​​​​hızıyla bir manyetik alan içindeki hareketi.

Elektronun başlangıç ​​hızı alanın yönüne dik değilse, o zaman iki bileşene ayrılmalıdır: normal, yani alanın yönüne dik ve boylamsal, yani alanla aynı yönde olan (Şekil 13). -5).

Hızın ilk bileşeni elektronun alan yönüne dik bir düzlemde bir daire içinde hareket etmesine neden olur, ikinci bileşen ise elektronun alan yönünde düzgün ve doğrusal olarak hareket etmesine neden olur, böylece elektron bir sarmal boyunca hareket eder. çizgi (Şekil 13-5).

Çalışmanın amacı.

Cihazlar ve aksesuarlar: e

giriiş

eışık hızı İle, Planck sabiti H Kl∙kg -1 .

Manyetik alan. İÇİNDE B B Q, hızla hareket ediyor V

F ben = q∙[ V∙B] veya F l = |Q|VB∙sin a(1)

nerede α – V İÇİNDE .

». B

Q> BEN

Şekil 1

Q>Q< 0) akım yönü BEN ve hız V V B R duruma göre belirlenir

, (2)

burada α vektörler arasındaki açıdır V Ve B .

Durumunda α = 90 0 , sina

Δ A = F l. Δ R

veya Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Nerede β F Δ R .

F ben Δ R , β = 90 0 ve cosβ

R

V bir açıyla yönlendirilmiş α elektrik hatlarına İÇİNDE V // = V∙cosα ve üniforma

V ┴ = V∙sinα.

V //

h = VTco'lar, (7)

Bu ifadeyi yerine koyarsak T(7)’de şunu elde ederiz

. (8)

B .

Elektrik alanı. Açık puan ücreti Q, e , kuvvet eylemleri

F= q e , (9)

Kuvvet yönü F e e .

Newton'un ikinci yasasına göre f= M A

Q e = (10)

X hızla V

Eksen boyunca yük hareketi X X= X 0 + Vt(X 0 – başlangıç ​​koordinatı, T– zaman), V= sabit, x 0 = 0. ℓ eşittir.

Eksen boyunca hareket e , E y = Vy = V 0 yıl + en. sen , Nerede İLE− T= 0) V 0 y = 0 elde ederiz C = 0. .

e formüle göre .

sen,

İÇİNDE e , o zaman ortaya çıkan kuvvet F

F Em = q e + Q[V∙B ]. (11)

senVV << скорости света C ) forma sahip

Nerede e M

(12)'den elektron hızı

. (13)

sen, B R

Deneysel kurulum

3 – güç kaynağı IP1 Helmholtz bobinleri; 4 – Helmholtz bobinleri; 5 - güç kaynağı IP2 katot ışın tüpü.

Deney düzeneğinin fonksiyonel parçaları ve bağlantı şemaları

Helmholtz bobinleri(Helmholtz halkaları), aynı yarıçapa sahip iki koaksiyel halka iletkendir. N aralarındaki mesafe halkaların yarıçapına eşit olacak şekilde paralel düzlemlerde eş eksenli olarak yerleştirilmiş dönüş sayısı (Şekil 8).

Şek. Şekil 9 Helmholtz bobinlerini bir güç kaynağına bağlama şemasını göstermektedir IP1 .

Bobinlerden akım geçtiğinde, aralarındaki boşlukta yüksek derecede homojenlik ile karakterize edilen bir manyetik alan oluşturulur. Halka iletkenin her akım taşıyan dönüşü ve iki halka iletkenden oluşan sistemin tamamı tarafından indüklenen manyetik alanların üst üste binmesinin sonucudur (Şekil 8).

Bir dönüş içeren halka şeklinde akım taşıyan bir iletkenin merkezindeki manyetik alan indüksiyonu aşağıdaki formülle ifade edilir:

Nerede R– iletkenin eğrilik yarıçapı, BEN– içindeki akım gücü, µ – manyetik geçirgenlik, µ 0 – manyetik sabit (μ 0 = 4π·10 -7 H/m).

Bobinlerin ekseni üzerindeki manyetik alan indüksiyonunun büyüklüğü akımla orantılıdır. BEN, halka iletkenlerin her birinin sarımındaki akış ve içlerindeki sarım sayısı N. Helmholtz bobinlerinin manyetik indüksiyon alanının Biot-Savart-Laplace yasasını ve eksen üzerinde süperpozisyon ilkesini kullanarak teorik olarak hesaplanması X sistemin merkezinde hesaplama için uyarlanmış bir formül bulunur İÇİNDE Bu çalışmada kullanılan

. (15)

Nerede R– halka iletkenin yarıçapı, µ 0 = 4π·10 -7 H/m (manyetik sabit).

Şekil 10, eksen boyunca Helmholtz bobinleri arasındaki boşluktaki manyetik alan indüksiyonunun dağılımını göstermektedir. X, bobinlerin simetri eksenine denk gelir. Noktalı çizgi, halka iletkenlerin her biri tarafından oluşturulan manyetik alanların dağılımını gösterir.

Bobinlerin uygun şekilde ayarlanmasıyla oluşturulan alanın homojensizliği %5'i geçemez.

Katot ışın tüpü (CRT Deney düzeneğinde kullanılan ) Şekil 11'de gösterilmektedir. Fotoğraf (üstten görünüm) aynı zamanda düzgün bir manyetik alan bölgesindeki Helmholtz bobinleri arasındaki boşluktaki konumunu da göstermektedir. CRT vakumlu küresel bir cam şişedeki bir ışın tetrodudur. Şişe, atlama telleri ile metal bir çapraz kol üzerine monte edilmiş, dolaylı olarak ısıtılan bir katot olan bir elektron tabancası içerir. Elektron ışınını görselleştirmek için bir cam ampul düşük basınçta hidrojenle doldurulur.

Şekil 11. Helmholtz bobinli katot ışın tüpü (üstten görünüm):

1 – elektron tabancası; 2 – elektron yörüngesinin yarıçapını tahmin etmek için ölçek olarak kullanılan atlama telleriyle çapraz geçiş;

3 – Helmholtz bobinleri.

Termiyonik emisyon nedeniyle katot tarafından yayılan elektronlar, elektron ışını tabancasının elektrotları tarafından bir ışın şeklinde odaklanır ve dikey olarak yukarı doğru düz bir yörünge boyunca hareket eder. Helmholtz bobinlerine bir güç kaynağından voltaj uygulandığında IP1 konaklama alanında CRT düzgün bir manyetik alan yaratılır. Elektron ışınının yörüngesi düzden dairesele değişir.

Etki, elektron ışınının yörüngesine karşılık gelen, cam ampulün içindeki zayıf mavimsi bir parıltıyla görsel olarak gözlemlenir. Görselleştirilen elektron yörüngesinin çapı, fosforla kaplanmış birkaç atlama teli içeren şişeye yerleştirilmiş bir çapraz çubuk kullanılarak tahmin edilir (Şekil 12).

Şekil 13 güç kaynağına bağlantı şemasını göstermektedir IP2

Kaynak parametrelerindeki değişiklik aralığını gösteren katot ışın tüpü.

Pirinç. 14. Helmholtz bobinleri için güç kaynağı ( IP1 ) (ön panelin fotoğrafı).

Pirinç. 15. Katot ışın tüpü için güç kaynağı ( IP2 ) (ön panelin fotoğrafı).

İş emri

NOT 1.

Kurulumun tüm cihazları ve fonksiyonel elemanları bağlantı kabloları ile bağlanır.

DOKUNMA!

DİKKAT.

İşi yaparken işyerinde ve laboratuvarda belirlenen güvenlik düzenlemelerine kesinlikle uymak gerekir.

DİKKAT.

DİKKAT.

CRT VOLTAJININ 100'DEN 300 V'A HIZLANMASI

Elektron ışınının yörüngesini gözlemlemek için ölçümler karanlık bir odada yapılmalıdır.

NOT 4. Deney düzeneğinde, kayıt için bir cam şişede bulunan soldan üçüncü ölçekli atlama telini kullanarak elektron ışınının yörüngesinin yarıçapını ölçmek de mümkündür. CRT. Elektron ışınının yarıçapına karşılık gelir r3

= 0,03 m (Şek. 12).

14. Bu ölçümler öğretmenin isteği üzerine yapılmalıdır. Elektron ışınının üçüncü atlayıcıyla kesişimini gözlemleyerek 11. ve 12. adımları birkaç kez tekrarlayın. sen 15. İlgili özellik çiftlerinin ölçüm verileri: hızlanma voltajı BEN ve bobinlerdeki akım Elektron ışınının yarıçapına karşılık gelir ve her deney için= 0,03m

masaya girmek 2.

16. Ölçüm ünitesini kapatın.

Kapatma sırası: IP1 a) Helmholtz bobinlerindeki akımı sıfıra indirmek için ayar düğmelerini kullanın (en sol konuma çevirin). Açık

b) katot ışın tüpünün hızlanma voltajını sıfıra indirmek için ayar düğmelerini kullanın (en sol konuma çevirin) IP2 2. ve 3. kulplar).

c) güç kaynaklarını kapatın IP1 Ve IP2 (arka paneldeki geçiş anahtarları).

Tablo 1

Tablo 2

Referanslar

1. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Fizik dersi. – M.: “Akademi” yayınevi, 2005 ve sonrası. – 720 sn.

2. Trofimova T.I. Fizik dersi. – M.: Yüksekokul, 2004 ve sonrası. – 544 s.

3. Savelyev I.V. 3 ciltlik genel fizik dersi. – M.: Astrel AST, 2007 ve sonrası.

Zakharova T.V. (genel baskı) Fizik. Test formundaki görevlerin toplanması, bölüm 2. – M.: MIIT, 2010 – 192 s.

MANYETİK ALANDA ELEKTRONLARIN HAREKETİ

Çalışmanın amacı. Elektrik ve alternatif manyetik alanlarda bir elektron ışınının bilinen yörüngesi boyunca bir elektronun spesifik yükünün belirlenmesi.

Cihazlar ve aksesuarlar: e HYWE Systems GmbH & Co.'nun "PHYWE" markasının deney kurulumu. (Almanya) aşağıdakilerden oluşur: katot ışın tüpü; Helmholtz bobinleri (1 çift); evrensel güç kaynağı (2 adet); dijital multimetre (2 adet); çok renkli bağlantı kabloları.

giriiş

Bir temel parçacığın özgül yükü bir parçacığın yükünün kütlesine oranıdır. Bu özellik, aynı yüke sahip farklı parçacıkların (örneğin, negatif yüklü müonlardan, pionlardan vb. gelen elektronlar) birbirinden ayırt edilmesini sağladığından parçacıkları tanımlamak için yaygın olarak kullanılır.

Bir elektronun özgül yükü, bir elektronun yükü gibi temel fiziksel sabitleri ifade eder. eışık hızı İle, Planck sabiti H vb. Teorik değeri = (1,75896 ± 0,00002)∙10 11 Kl∙kg -1 .

Parçacıkların spesifik yükünü belirlemek için çok sayıda deneysel yöntem, manyetik alandaki hareketlerinin özelliklerine ilişkin çalışmalara dayanmaktadır. Manyetik ve elektrik alanların konfigürasyonu kullanılarak ve parametreleri değiştirilerek ek olanaklar sağlanır. Bu çalışmada, Almanya'da yapılan “PHYWE” markasına ait deneysel bir kurulum üzerinde bir elektronun özgül yükü belirlenmektedir. İçinde, bir manyetik alandaki elektron hareketinin yörüngelerini incelemek için, düzgün manyetik ve elektrik alanların parametrelerini karşılıklı dik konfigürasyonlarıyla değiştirme olasılıklarının bir kombinasyonuna dayanan bir yöntem uygulanır. Bu kılavuz, kurulumla birlikte verilen belgeler kullanılarak geliştirilmiştir.

Manyetik alan. Deneyler, manyetik alanın, içinde hareket eden yüklü parçacıkları etkilediğini göstermektedir. Bu etkiyi belirleyen kuvvet özelliği, manyetik indüksiyondur - bir vektör miktarı. İÇİNDE .Manyetik alan, her noktada teğetleri vektörün yönü ile çakışan manyetik indüksiyon çizgileri kullanılarak gösterilir. B . Düzgün bir manyetik alan için vektör B Alanın herhangi bir noktasında büyüklüğü ve yönü sabittir. Yüke etki eden kuvvet Q, hızla hareket ediyor V manyetik alanda, Alman fizikçi G. Lorentz (Lorentz kuvveti) tarafından belirlendi. Formülle ifade edilir

F ben = q∙[ V∙B] veya F l = |Q|VB∙sin a(1)

nerede α – hız vektörünün oluşturduğu açı V hareketli parçacık ve manyetik alan indüksiyon vektörü İÇİNDE .

Sabit bir yere elektrik yükü manyetik alanın hiçbir etkisi yoktur. Bu onun elektrik alanından önemli farkıdır.

Lorentz kuvvetinin yönü sol el kuralı kullanılarak belirlenir ». Sol elin avuç içi vektörün içine girecek şekilde konumlandırılmışsa B ve uzatılmış dört parmağınızı birbirine doğrultun

Pozitif yüklerin hareket yönü ( Q>0), akımın yönüne uygun BEN(), sonra büküldü baş parmak

Şekil 1

üzerine etkiyen kuvvetin yönünü gösterecektir. pozitif yük (Q>0) (Şekil 1). Negatif masraflar durumunda ( Q< 0) akım yönü BEN ve hız V hareketler terstir. Lorentz kuvvetinin yönü akımın yönüne göre belirlenir. Böylece Lorentz kuvveti hız vektörüne dik olduğundan hız modülü bu kuvvetin etkisi altında değişmeyecektir. Ama ne zaman sabit hız Formül (1)'den de anlaşılacağı gibi Lorentz kuvvetinin değeri de sabit kalır. Mekanikten biliniyor ki sabit kuvvet hıza dik bir daire içinde harekete neden olur, yani merkezcildir. Newton'un ikinci yasasına göre başka kuvvetlerin yokluğunda yüke merkezcil veya normal hızlanma. Düzgün bir manyetik alan içindeki bir yükün yörüngesi V B yarıçapı bir dairedir (Şekil 2). R duruma göre belirlenir

, (2)

burada α vektörler arasındaki açıdır V Ve B .

Durumunda α = 90 0 , sina= 1 formül (2)'den, yükün dairesel yörüngesinin yarıçapı formülle belirlenir

Manyetik alanda hareketli yük üzerinde yapılan iş sabit kuvvet Lorentz, eşit

Δ A = F l. Δ R

veya Δ A = F l. Δ rcosβ, (4)

Nerede β – kuvvet vektörlerinin yönleri arasındaki açı F l. ve yer değiştirme vektörünün yönü Δ R .

Koşul her zaman sağlandığından F ben Δ R , β = 90 0 ve cosβ= 0 ise Lorentz kuvvetinin yaptığı iş, (4)'ten takip edildiği gibi, her zaman sıfıra eşittir. Buradan, mutlak değer Manyetik alanda hareket ederken yükün hızı ve kinetik enerjisi sabit kalır.

Dönme süresi (bir tam dönüş), eşittir

Yarıçap yerine (5)'i koyma R(3)'teki ifadesinden, yüklü parçacıkların manyetik alandaki dairesel hareketinin önemli özellik: Yörünge periyodu parçacık enerjisine bağlı değildir, yalnızca manyetik alan indüksiyonuna ve özgül yükün karşılıklılığına bağlıdır:

Manyetik alan düzgünse ancak yüklü parçacığın başlangıç ​​hızı V bir açıyla yönlendirilmiş α elektrik hatlarına İÇİNDE , o zaman hareket iki hareketin süperpozisyonu olarak temsil edilebilir: hız ile manyetik alana paralel yönde düzgün doğrusal V // = V∙cosα ve üniforma

Lorentz kuvvetinin etkisi altında manyetik alana dik bir düzlemde belirli bir hızda dönme V ┴ = V∙sinα.

Sonuç olarak parçacığın yörüngesi sarmal bir çizgi olacaktır (Şekil 3).

Helis aralığı mesafeye eşit, alan boyunca bir yük tarafından hızla geçti V // şimdilik döneme eşit rotasyon

h = VTco'lar, (7)

Bu ifadeyi yerine koyarsak T(7)’de şunu elde ederiz

. (8)

Spiral eksen manyetik alan çizgilerine paraleldir B .

Elektrik alanı. Bir noktaya kadar ücret Q, voltaj vektörü ile karakterize edilen bir elektrik alanına yerleştirilir e , kuvvet eylemleri

F= q e , (9)

Kuvvet yönü F vektörün yönü ile çakışır e Eğer yük pozitif ve zıt ise e negatif yük durumunda . Düzgün bir elektrik alanında, alanın herhangi bir noktasındaki yoğunluk vektörünün büyüklüğü ve yönü sabittir. Hareket yalnızca düzgün bir elektrik alanın kuvvet çizgileri boyunca meydana gelirse, düzgün şekilde hızlandırılmış doğrusaldır.

Newton'un ikinci yasasına göre f= M A Bir elektrik alanındaki bir yükün hareket denklemi aşağıdaki formülle ifade edilir:

Q e = (10)

Diyelim ki mesele negatif yük, başlangıçta eksen boyunca hareket ediyor X hızla V , plakalar arasında düzgün bir elektrik alanına düşer düz kapasitörŞekil 2'de gösterildiği gibi. 4.

Eksen boyunca yük hareketi X tekdüzedir, kinematik denklemi X= X 0 + Vt(X 0 – başlangıç ​​koordinatı, T– zaman), V= sabit, x 0 = 0. Plakaların uzunluğu ile bir kapasitörün yükünün uçuş süresi ℓ eşittir.

Eksen boyunca hareket e kapasitörün içindeki elektrik alanı tarafından belirlenir. Plakalar arasındaki boşluk uzunluklarına göre küçükse , kenar etkileri ihmal edilebilir ve plakalar arasındaki boşluktaki elektrik alanı düzgün kabul edilebilir ( E y = sabit). Yükün hareketi eşit şekilde hızlandırılacaktır Vy = V 0 yıl + en. sen ivme formül (10) ile belirlenir. Entegrasyonu (10) gerçekleştirdikten sonra şunu elde ederiz: , Nerede İLE− entegrasyon sabiti. Şu tarihte: başlangıç ​​koşulu (T= 0) V 0 y = 0 elde ederiz C = 0. .

Düz bir kapasitörün düzgün bir elektrik alanı içindeki yüklü bir parçacığın yörüngesi ve hareket karakteri, yatay olarak fırlatılan bir cismin yerçekimsel alanındaki benzer hareket özelliklerine benzer. Yüklü bir parçacığın eksen boyunca sapması e eşittir. Karakteri dikkate alarak etkili kuvvet formüle göre bağlıdır .

Bir yük, potansiyel farkı olan noktalar arasındaki bir elektrik alanında hareket ettiğinde sen, iş elektrik alanı tarafından yapılır ve bunun sonucunda yük kinetik enerji kazanır. Enerjinin korunumu kanununa uygun olarak

İndüksiyonlu bir manyetik alana ek olarak hareketli bir elektrik yükü varsa İÇİNDE şiddetinde bir elektrik alanı da var e , o zaman ortaya çıkan kuvvet F Hareketini belirleyen, elektrik alanından etki eden kuvvet ile Lorentz kuvvetinin vektör toplamına eşittir.

F Em = q e + Q[V∙B ]. (11)

Bu ifadeye Lorentz formülü denir.

bunda laboratuvar çalışması Elektronların manyetik alanda hareketi ve elektrik alanları. Yukarıda tartışılan tüm ilişkiler keyfi ücret elektron için de geçerlidir.

Elektronun başlangıç ​​hızının sıfır olduğunu varsayıyoruz. Bir elektrik alanına girildiğinde, içindeki yük hızlanır ve potansiyel farkı geçtikten sonra sen, biraz hız kazanır V. Enerjinin korunumu kanunundan belirlenebilir. Göreli olmayan hızlar durumunda ( V << скорости света C ) forma sahip

Nerede e= –1,6∙10 -19 C – elektron yükü, M e = 9,1∙10 -31 kg – kütlesi.

(12)'den elektron hızı

Bunu (3)'te değiştirerek, elektronun manyetik alanda hareket ettiği dairenin yarıçapını bulmak için bir formül elde ederiz:

. (13)

Böylece potansiyel farkı bilmek sen, elektronların bir elektrik alanında göreli olmayan hızlara doğru hareket ederken hızlanması, düzgün bir manyetik alanın indüksiyonu B Bu elektronların içinde hareket ettiği, dairesel bir yörüngeyi tanımlayan ve belirtilen dairesel yörüngenin yarıçapını deneysel olarak belirleyen R formülü kullanarak bir elektronun özgül yükünü hesaplayabilirsiniz.

Deneysel kurulum

Ölçüm standının bir fotoğrafı Şekil 5'te gösterilmektedir.

Şek. Şekil 6'da “PHYWE” markasına ait deney düzeneğinin fotoğrafı görülmektedir.

Şek. Şekil 7, deneysel düzeneğin ana bileşenlerini fonksiyonel parçaların tanımlarıyla birlikte göstermektedir.

Şekil 7. Deneysel kurulum:

1 – katot ışın tüpü; 2, 6 – dijital multimetreler;

3 – güç kaynağı IP1 Helmholtz bobinleri; 4 – Helmholtz bobinleri; 5 - kaynak p

Sorunların koşulları ve taranan çözümleri aşağıdadır. Bu konuyla ilgili bir sorunu çözmeniz gerekiyorsa, burada benzer bir durumu bulabilir ve kendi sorununuzu benzetme yoluyla çözebilirsiniz. Görsellerin yoğunluğundan dolayı sayfanın yüklenmesi biraz zaman alabilir. Fizikte problem çözmeye veya çevrimiçi yardıma ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçin, size yardımcı olmaktan memnuniyet duyarız.

Bir yükün manyetik alandaki hareketi düz bir çizgide, bir dairede veya bir spiralde meydana gelebilir. Hız vektörü ile manyetik alan çizgileri arasındaki açı sıfır veya 90 derece değilse, yük spiral şeklinde hareket eder; manyetik alan tarafından Lorentz kuvvetinin etkisi altına alınır ve bu da ona merkezcil ivme kazandırır.

100 V'luk bir potansiyel farkla hızlandırılan bir parçacık, 0,1 T'lik bir indüksiyonla, 6,5 cm yarıçaplı bir spiral içinde 1 cm'lik bir adımla hareket eder. Parçacığın yükünün kütlesine oranını bulun.

Bir elektron, kuvvet çizgilerine 60 derecelik bir açıyla manyetik alana 1 mm/s hızla uçuyor. Manyetik alan kuvveti 1,5 kA/m. Elektronun hareket edeceği spiralin yarıçapını ve eğimini bulun.

Bir elektron, 100 μT'lik bir indüksiyonla, 5 cm yarıçaplı ve 20 cm'lik bir adımla bir spiral içinde hareket eder. Elektronun hızını bulun.

800 V'luk bir potansiyel farkla hızlandırılan bir elektron, 4,7 mT'lik bir indüksiyonla bir spiral içinde 6 cm'lik bir adımla hareket eder. Spiralin yarıçapını bulun.

300V'luk potansiyel farkla hızlanan bir proton, kuvvet çizgilerine 30 derecelik bir açıyla manyetik alana uçuyor. Manyetik alan indüksiyonu 20 mT. Protonun hareket edeceği spiralin yarıçapını ve eğimini bulun.

6 kV potansiyel farkıyla hızlanan bir elektron, kuvvet çizgilerine 30 derecelik bir açıyla manyetik alana doğru uçar. Manyetik alan indüksiyonu 13 mT. Elektronun hareket edeceği spiralin yarıçapını ve eğimini bulun.

U potansiyel farkıyla hızlanan bir alfa parçacığı, alan çizgilerine belirli bir açıyla manyetik alana doğru uçar. Manyetik alan indüksiyonu 50 mT. Spiralin yarıçapı ve aralığı (parçacığın yörüngesi) sırasıyla 5 cm ve 1 cm'dir. U potansiyel farkını belirleyin.

Bir elektron, kuvvet çizgilerine 30 derecelik bir açıyla manyetik alana 1 mm/s hızla uçuyor. Manyetik alan indüksiyonu 1,2 mT. Elektronun hareket edeceği spiralin yarıçapını ve eğimini bulun.

Bir elektron, kuvvet çizgilerine 30 derecelik bir açıyla manyetik alana doğru 6 mm/s hızla uçuyor. Manyetik alan indüksiyonu 1,0 mT. Elektronun hareket edeceği spiralin yarıçapını ve eğimini bulun.

Bir elektron, 5 mT indüksiyonlu bir manyetik alanda, adım açısı 5 cm ve yarıçapı 2 cm olan bir spiral şeklinde hareket eder. Elektronun hızını ve kinetik enerjisini ve elektron hızı ile elektron hızı vektörleri arasındaki açıyı belirleyin. alanın manyetik indüksiyonu.