Рух електронів в електричному і магнітному полях

3. Рух електронів в електричному і магнітному полях

Рух електрона в однорідному електричному полі

У електронних приладах рух вільних електронів відбувається під дією електричних або магнітних полів. Залежно від напряму початкової швидкості електрона електричне поле може його рух прискорювати, гальмувати або змінювати напрям.

Для з'ясування фізичних процесів розглянемо рух електрона в однорідному електричному полі. Уявимо собі, що в балоні, в якому створений вакуум, розташовані два взаємно паралельних електроду - катод К і анод А (мал. 1.1, а).

Мал. 1.1

Якщо до цих електродів приєднати батарею з напругою плюсом до анода і мінусом до катода, то в просторі між анодом і катодом буде створено електричне поле з напруженістю

де U - різниця потенціалів, d - відстань між електродами.

Якщо в електричне поле з напруженістю Е помістити електрон, заряд якого рівний е, то на нього діятиме сила електричного поля, рівна добутку заряду на напруженість поля:

Сила електричного поля направлена від катода до анода.

Якщо початкова швидкість електрона рівна нулю і співпадає з напрямом сили електричного поля, то електрон, поміщений в дане поле, зазнає прискорення і переміщатиметься з точок з меншим потенціалом до точок з вищим потенціалом. При цьому швидкість електрона і його кінетична енергія зростатимуть. Рух електрона буде рівномірно прискореним, тому таке поле називають прискорюючим.

На підставі закону збереження енергії приріст кінетичної енергії електрона повинен дорівнювати роботі, яку здійснює електричне поле при переміщенні електрона, тобто

де m - маса електрона; υ_н, υ - початкова і кінцева швидкості електрона; U=U₂ – U₁ - різниця потенціалів, пройдена електроном, в електричному полі.

Якщо початкова швидкість електрона рівна нулю, то електрон рухатиметься тільки під дією сили поля. В цьому випадку кінетична енергія електрона визначається виразом

З (1.4) можна визначити швидкість електрона в кінці його шляху

Підставляючи е/т= 1,759·10¹¹ К/кг, отримаємо вираз для швидкості електрона при русі його в прискорюючому електричному полі:

З (1.6) витікає, що швидкість руху електрона умовно можна виражати не тільки в км/с, але і у В.

Для визначення часу прольоту електрона в однорідному прискорюючому полі виразимо силу електричного поля через масу і прискорення:

Звідси

Шлях, пройдений електроном за час t, можна визначити з виразу d=at²/2, сюди підставимо значення з (1.7), отримаємо

звідки

Підставивши в отриманий вираз значення m і е, отримаємо формулу для визначення часу прольоту електрона:

Час прольоту t дуже малий, в багатьох практичних електронних пристроях не враховується, звідси електронну лампу можна вважати безінерційним приладом.

Якщо під дією початкової швидкості електрон рухається уздовж напряму ліній поля (від точок з великим потенціалом до точок з меншим потенціалом), то він здійснює роботу проти сил поля, при цьому його швидкість і запас кінетичної енергії зменшуються і він рухається прямолінійно і рівносповільнено. Поле, в якому електрон здійснює рівносповільнений рух, називають гальмуючим.

При повній втраті кінетичної енергії швидкість електрона впаде до нуля і він під дією сили поля рухатиметься рівноприскорено у зворотному напрямі, набуваючи втраченої кінетичної енергії.

Коли вектор початкової швидкості електрона перпендикулярний напряму дії сили електричного поля (мал. 1.1,6), траєкторія руху електрона матиме вид параболи. Таке поле називають поперечним.

Рух електрона в однорідному магнітному полі

У ряді електронних приладів управління траєкторією руху електронів здійснюється за допомогою сил магнітного поля. Дія магнітного поля на електрон аналогічно дії магнітного поля на провідник із струмом.

Сила, з якою діє магнітне поле на провідник із струмом, визначається виразом

де F - механічна сила, що діє на провідник завдовжки l; В - магнітна індукція; i - електричний струм в провіднику; α - кут між напрямом струму в провіднику і напрямом силових ліній магнітного поля.

Мал. 1.2 Мал. 1.3

Якщо струм для одного електрона рівний i=e/t і в даному виразі чисельник і знаменник помножити на швидкість руху електрона v, то (1.9) можна представити у вигляді F=Bev sinα.

Аналізуючи отриманий вираз, можна зробити наступний висновок, що на нерухомий електрон і електрон, що переміщається уздовж ліній поля, магнітне поле не діє. Сила магнітного поля на рухомий електрон буде максимальною, коли він переміщається перпендикулярно напряму сил магнітного поля F_max = Bev. Напрям цієї сили визначається за правилом лівої руки. Сила F завжди перпендикулярна напряму швидкості електрона (мал. 1.2). Тому магнітне поле не змінює швидкості електрона, а змінює його напрям.

Якщо електрон входить в однорідне магнітне поле під кутом 90° до силових ліній, то він рухатиметься по колу, лежачому в площині, перпендикулярній лініям поля (мал. 1.2). Коли кут α не рівний 90°, то швидкість електрона може бути розкладена на дві складові v_H і v (мал. 1.3).

Перша складова швидкості v_H перпендикулярна напряму сил поля і примусить електрон обертатися по колу. Друга складова швидкості електрона направлена уздовж сил магнітного поля і тому з ним не взаємодіє. В результаті дії два складових електрон переміщатиметься по спіралі.

Таким чином, магнітне поле не змінює енергії рухомого електрона, а змінює тільки траєкторію його руху. Це властивість магнітного поля використовується в електронно-променевих трубках і інших електронних приладах.

Контрольні запитання:

1.                 Що таке робота виходу електронів, що вона характеризує?

2.                 Що таке термоелектронна,фотоелектронна, електростатична та вторинна електронна емісія?

3.                 В чому полягає суть фізичних процесів руху електрона в однорідному електричному та магнітному полях?

Інструкційна картка №2 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 1 Фізичні властивості електроніки

1.2 Електрофізичні властивості напівпровідників

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

-                     Види пробою;

-                     Температурні і частотні характеристики переходу;

-                     Еквівалентну схему р-п-переходу;

-                     Способи створення р-п-переходу.

ІІІ. Студент повинен уміти:

-                     Перевіряти справність р-п-переходу;

-                     Використовувати основні властивості р-п-переходу.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [2, с. 50-61].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1.                 Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

2.                 Температурні і частотні характеристики переходу. Еквівалентна схема р-п-переходу

3.                 Створення р-п-переходу

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1.                 Що таке р-n-перехід та як він створюється?

2.                 Що собою являє вольт-амперна характеристика р-n-переходу?

3.                 Що таке пробій переходу, види пробою?

4.                 Як впливає температура на характеристики р-n-переходу?

5.                 Як залежать властивості р-п переходу від частоти прикладеної напруги?

6.                 Що таке еквівалентна схема p-n переходу?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І. В

Теоретична частина: Електрофізичні властивості напівпровідників

План:

1.                 Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

2.                 Температурні і частотні характеристики переходу. Еквівалентна схема р-п-переходу

3.                 Створення р-п-переходу

Література

1. Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

Властивості електронно-діркового переходу наочно ілюструються його вольтамперною характеристикою (мал. 3.8, а), що показує залежність струму через р-п перехід від величини і полярності прикладеної напруги.

Мал. 3.8. Характеристики р-п переходу: а - вольтамперна; б - опору

Розрізняють два види пробою: електричний (оборотний) і тепловий (необоротний).

Електричний пробій відбувається в результаті внутрішньої електростатичної емісії (зінеровський пробій) і під дією ударної іонізації атомів напівпровідника (лавинний пробій).

Внутрішня електростатична емісія в напівпровідниках аналогічна електростатичній емісії електронів з металу. Суть цього явища полягає в тому, що під дією сильного електричного поля електрони можуть звільнитися від ковалентних зв'язків і отримати енергію, достатню для подолання високого потенційного бар'єру в області р-п переходу. Рухаючись з більшою швидкістю на ділянці р-п переходу, електрони стикаються з нейтральними атомами і іонізують їх. В результаті такої ударної іонізації з'являються нові вільні електрони і дірки, які, у свою чергу, розганяються полем і створюють зростаючу кількість носіїв струму. Описаний процес носить лавиноподібний характер і приводить до значного збільшення зворотного струму через р-п перехід. Таким чином, надмірно збільшувати зворотну напругу не можна. Якщо вона перевищить максимально допустиму для даного р-п переходу величину, то ділянка р-п переходу проб'ється, а р-п перехід втратить властивість односторонньої провідності (тепловою пробою).

Тепловий пробій р-п переходу відбувається унаслідок відривання валентних електронів із зв'язків в атомах при теплових коливаннях кристалічної решітки. Теплова генерація пар електрон-дірка приводить до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду і до зростання зворотного струму. Збільшення струму, у свою чергу, приводить до подальшого підвищення температури. Процес наростає лавиноподібно.

Електричний і тепловий пробої р-п переходу у багатьох випадках відбуваються одночасно. При надмірному розігріванні переходу, коли відбувається зміна структури кристала, перехід необоротно виходить з ладу. Якщо ж при виникненні пробою струм через р-п перехід обмежений опором зовнішньому ланцюгу і потужність, що виділяється на переході, невелика, то пробій обернений. В цьому випадку можна управляти зворотним струмом шляхом зміни зовнішньої напруги, що підводиться до переходу.

Аналіз вольтамперної характеристики р-п переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється залежно від величини і полярності прикладеної напруги (мал. 3.8, б). При збільшенні прямої напруги опір р-п переходу зменшується. Із зміною полярності і величини прикладеної напруги опір р-п переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом (закон Ома) для р-п переходів не дотримується. Нелінійні властивості р-п переходів лежать в основі роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямляння змінного струму, перетворення частоти, обмеження амплітуд і т.д.

Похожие работы

Мікропроцесорна техніка

Скачать

148745

30

12

... обміну даними з ПЭВМ у процесі виконання програми користувача; 11.      Вкажіть типи буферних схем, використаних в УУМС-2. Їх призначення та особливості роботи. 12.      Дайте визначення адресного простору мікропроцесорної системи та розпишіть його розподіл в УУМС-2. Адресний простір УУМС складається з областей, состав яких показаний у табл.2. Варто звернути увагу, що внутрішні адресні області ...

Методика проведення теоретичних занять

Скачать

86358

0

0

... ілу (Додаток 5); 5. Узагальнення і систематизація з розділу у вигляді опорно - інформаційних схем, табличних алгоритмів. 3.3 Анкетування студентів з даної проблеми Думка студентів про проведення теоретичних занять з дисципліни: " Основи електроніки та мікропроцесорної техніки ". Потрібне в відповідях підкреслити, анкету не підписувати. 1. Ви рахуєте, що викладач свій предмет? а) знає і ...

Розробка мікропроцесорного пристрою системи автоматичного регулювання

Скачать

69468

35

0

... детально на основі загального вирішення задачі.ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОЇ РОБОТИ Розробити компоненти технічного і програмного забезпечення мікропроцесорного пристрою, який включає аналогово-цифровий і цифро-аналоговий перетворювачі і виконує функцію лінійної системи автоматизованого регулювання. Системи описується заданим пропорційно-інтегро-диференціальним рівнянням, яке зв'язує аналогові сигнали х ...

Розробка комплекту ТЗА мікропроцесорної схеми похилого дифузійного апарату на базі мікропроцесорного комплекту Р-13

Скачать

16812

1

2

... ії контурів управління Автоматична система управління дозування формаліна передбачає контролювання таких параметрів як Fстр. кількості постачаємої стружки в дифузійний апарат, є головним чинником який впливає на час подачі формаліна в дифузійну установку, рН дифузійного соку та Т температура середовища протікання процесу, ці показники відображають розвиток мікрофлори в дифузійному апараті та є ...