Движение электрона в магнитном поле по окружности (5 видео)

Шпаргалка по общей электронике и электротехнике.

Содержание

5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.
Движение электронов в магнитном поле.
Движение электрона в однородном и неоднородном магнитном поле.
💡 Видео

Видео:Движение заряженной частицы в магнитном поле | Физика ЕГЭ с Никитой АрхиповымСкачать

5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью v0, направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям. В этом случае на движущийся электрон действует так называемая сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору нО и вектору напряженности магнитного поля Н. Величина силы F определяется выражением: F= еv0Н.

При v0 = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости нО, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются по величине. Происходит лишь изменение направления скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью получается благодаря действию направленной к центру центростремительной силы, которой именно и является сила F.

Направление поворота электрона в магнитном поле в соответствии с правилом левой руки удобно определяется по следующим правилам. Если смотреть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стреле. Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv20/r. Приравняем его значению силы F = еv0Н: mv20/r = еv0Н. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r= mv0/(еН).

Чем больше скорость электрона v0, тем сильнее он стремится двигаться прямолинейно по инерции и радиус искривления траектории будет больше. С другой стороны, с увеличением Н растет сила F, искривление траектории возрастает и радиус окружности уменьшается.

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Рассмотрим зависимость rот mи е. Заряженная частица с большей массой mсильнее стремится лететь по инерции прямолинейно и искривление траектории уменьшится, т. е. rстанет больше. А чем больше заряд е, тем больше сила F и тем сильнее искривляется траектория, т. е. ее радиус становится меньше.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции по прямой линии. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Таким образом, магнитное поле изменяет только направление скорости электронов, но не ее величину, т. е. между электроном и магнитным полем нет энергетического взаимодействия. По сравнению с электрическим полем действие магнитного поля на электроны является более ограниченным. Именно поэтому магнитное поле применяется для воздействия на электроны значительно реже, нежели электрическое поле.

Видео:Движение электронов в магнитном поле - Сила ЛоренцаСкачать

Движение электронов в магнитном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны действует сила Лоренца, всегда направленная перпендикулярно вектору скорости. Поэтому электроны движется по дуге окружности. Магнитное поле изменяет только направление движения электрона.

Например, в кинескопах телевизора применяют магнитные отклонения луча, а в электронно-лучевой трубке осциллографа — электростатическое отклонение луча.

2) Классификация электронных приборов. Электронная эмиссия

По среде, в которой движутся электроны, различают:

а) электронные вакуумные приборы – источником свободных электронов служит явление электронной эмиссии;

б) ионные газоразрядные приборы — источником свободных электронов служит электронная эмиссия плюс ударная ионизация атомов и молекул

в) полупроводниковые (п/п) приборы – электроны освобождаются от атома под действием различных причин (изменение температуры, освещенности, давления) поэтому концентрация свободных носителей заряда может быть значительно больше чем в вакуумных и газоразрядных приборах и это обуславливает меньшие габариты, массу и стоимость п/п приборов.

Тема 1.1. Физика явлений в полупроводниках.

1. Полупроводники, виды полупроводников по проводимости.

2. Контакт двух полупроводников с различной примесной проводимостью.

2.1. Прямое и обратное включение p-n перехода. Основные свойства.

2.2. ВАХ p-n перехода. Виды пробоя.

2.3. Влияние температуры на p-n переход.

3. Контакт полупроводника и металла. Барьер Шоттки.

1. Полупроводники– это вещества, у которых электрическая проводимость заметно зависит от температуры освещенности, давления и примеси.

Например, при возрастании температуры на 1 градус по Цельсию сопротивление металла увеличится на 0, 4 % , а у полупроводника уменьшится на 4-8 %.

Примеры полупроводников: германий (Ge), кремний (Si), вещества на основе индия, арсенид галлия.

Виды полупроводников по проводимости:

А) собственная проводимость;

Б) примесная проводимость;

А) Собственная проводимость представляет собой движение свободных электронов и дырок, число которых одинаково и заметно зависит от температуры освещенности и давления.

Собственную проводимость можно наблюдать в чистом беспримесном полупроводнике.

Принято беспримесный полупроводник имеющий только собственную проводимость называть полупроводником i — типа.

Б) Примесная проводимость

Различают два вида примесной проводимости:

— электронная примесная проводимость получается при добавлении примесей с валентностью на единицу больше валентности полупроводника. При этом 4 из валентных электронов каждого атома примесей участвуют в образовании связей, а пятый легко становится свободным без образования дырки. Поэтому в таких полупроводниках преобладают свободные электроны.

Полупроводники, в которых преобладают свободные электроны, называются полупроводниками n-типа.

Например, Ge(германий) + As(мышьяк) – полупроводник n-типа.

— дырочная примесная проводимость получается при добавлении примесей с валентностью на единицу меньше валентности полупроводника. При этом у каждого атома примеси недостает одного электрона для завершения связи с атомами полупроводника, следовательно, преобладает количество дырок в полупроводнике.

Полупроводники, в которых преобладают дырки, называются полупроводникамиp-типа.

Например, Ge + In(индий) –полупроводник p-типа.

2. Контакт двух полупроводников с различной примесной проводимостью «n и p» — типа, называется «p-n» переходом.

В месте контакта всегда существует электрическое поле перехода (E_пер), направленное из «n»-области в «p»-область.

Рисунок 2 – Параметры p-n-переход

d — толщина «p-n»- перехода

U_к – контактное напряжение

Пример: Ge d= (10 -6 ÷ 10 -8 )м и U_к = (0,2 до 0,3)В.

При росте концентрации примеси d- уменьшается, а U_к – увеличивается.

2.1. Два способа включения p-n-перехода:

I.прямое включение p-n-перехода в p-области плюс, в n — области минус от источника, следовательно, при E_ист E_пер создается прямой ток I_пр, который заметно зависит от напряжения смотри на рисунке 3 и на рисунке 4.

Рисунок 3 – Прямое включение p-n-перехода

Зависимость I от U называется вольтамперной характеристикой (ВАХ).

ВАХ p-n перехода при прямом включении показана на рисунке 4.

Рисунок 4 — ВАХ p-n-перехода при прямом включении

При прямом включении ток создают основные носители зарядов – примесная проводимость.

II.Обратное включение p-n-перехода показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Обратное включение p-n-перехода

К p-области минус, к n-области плюс от источника, следовательно, электрическое поле источника (E_ист) направлено по полю перехода и усиливает его, поэтому основные носителем зарядане участвуют в создании тока.

Ток обратный I_обр создают неосновными носителями заряда, число которых мало, поэтому ток обратный I_обр меньше I_пр

Поэтому, для всех полупроводниковых приборов существует границы рабочих температур.

Например: Ge → t_раб = – 60 до +75 0 С;

Si → t_раб = -60 до +150 0 С.

3.Существует 2 вида контактов полупроводника и металла:

— выпрямляющий – это контакт подобен p-n-переходу, но с меньшей потерей напряжения, более высоким КПД. Выпрямляющий контакт описан впервые немецким ученым в 1937 г. В. Шоттки, поэтому выпрямляющий контакт называется барьером Шоттки и является основой диода Шоттки, транзистора Шоттки.

— невыпрямляющий – проводит ток одинаково при прямом и обратном включении. Применяется для создания металлических выводов, полупроводниковых приборов.

Тема №2. Полупроводниковые приборы

1. Классификация полупроводниковых приборов;

2. Полупроводниковые диоды: стабилитрон, варикап, фотодиод, туннельный диод;

2.1. Устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

3. Биполярный транзистор;

3.1. Виды, устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

3.2. Три схемы включения;

3.3. Основные параметры и характеристики;

4. Полевые транзисторы;

4.1. Виды, устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

Видео:Урок 276. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном полеСкачать

Движение электрона в однородном и неоднородном магнитном поле.

В магнитном поле с индукцией на движущийся электрон действует сила

Лоренца . При произвольной ориентации векторов эта сила равна векторному произведению:

где – вектор скорости электрона.

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ (вектор магнитной индукции) — векторная величина, применяющаяся для количественного оценивания действия магнитного поля. Равна отношению максимальной силы, действующей в магнитном поле на элемент проводника с током, к величине силы тока и длине этого элемента проводника . Направление определяется правой руки правилом. Единица в СИ — тесла.

Напряжённость магнитного поля — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M. Обычно, обозначается символом Н. В системе СИ измеряется в амперах на метр (А/м). В вакууме напряжённость магнитного поля (Н) совпадает с вектором магнитной индукции (B) с точностью до коэффициента, в СИ.

Вектор силы Лоренца всегда направлен перпендикулярно вектору скорости, следовательно, величина скорости электрона, а значит и его энергия, в присутствии магнитного поля не меняются. Магнитное поле влияет только на траекторию движения заряженной частицы.

Рассмотрим частицу, скорость которой перпендикулярна вектору магнитной индукции. В этом случае движение является равномерным движением по окружности. Приравняем силу Лоренца и силу, действующую на частицу, движущийся по окружности радиусом B r :

Отсюда следует выражение для радиуса окружности, который называется ларморовским радиусом:

Рисунок 12 Траектории движения электрона и иона в магнитном поле. Скорости

частиц перпендикулярны силовым линиям магнитного поля.

Таким образом, если энергии электрона и иона равны, то радиус, по которому движется электрон значительно меньше, чем радиус иона, а направления вращения противоположны.

Частота вращения частицы по окружности:

Рисунок 13 Траектория движения заряженной частицы, влетающей под углом в магнитное поле.

Время одного оборота:

Если частица влетает в область магнитного поля под произвольным углом

, надо разложить вектор скорости на компоненты и. . Очевидно, что в этом случае движение происходит по винтообразной траектории. Компонента обеспечивает круговое движение, а равномерное прямолинейное движение в направлении , с шагом .

Однородное продольное магнитное поле при движении в нем параксиального пучка электронов способно создать электронное изображение некоторого объекта. Такое поле называют «длинной магнитной линзой».

Неоднородное аксиально-симметричное магнитное поле образует симметричную собирающую линзу, которая называется «короткой» или «тонкой магнитной линзой». На практике такая короткая линза может быть создана круглой катушкой, по виткам которой протекает ток. Качественно механизм фокусировки в магнитной линзе можно объяснить следующим образом. Пусть электрон влетает в линзу слева направо параллельно оси. В первый момент попадания электрона в поле линзы на него будет действовать только составляющая поля , которая вызовет вращение электрона по азимуту .

Рис. 14. Тонкая магнитная линза

На рисунке это вращение направлено вперед, из плоскости чертежа. После появления азимутальной составляющей скорости , возникнет движение электрона в радиальном направлении, т.е. начнется фокусирующее действие магнитного поля за счет . После перехода электрона во вторую половину линзы вращательная скорость начнет уменьшаться. В результате прохождения электрона через линзу его траектория окажется повернутой относительно исходной плоскости и пересечет ось линзы за счет действия фокусирующей силы.

Все три процесса совершаются в высоком вакууме. Пример схемы мощной электронной пушки:

Рис. 14. Схема мощной электронной пушки

Чертёж электроннолучевой сварочной установки:

Рис. 15 Разрез электронной пушки.

Плавление, испарение и удаление обрабатываемого материала происходит в результате высокой концентрации энергии. Тепло в заготовке обусловлено торможением электронов при встрече с поверхностью заготовки и превращением кинетической энергии движения электронов в тепловую.

Электронный луч характеризуется ускоряющим напряжением , током луча и эффективным диаметром пятна фокусировки луча в месте встречи луча с мишенью (заготовкой). Мощность луча . Часть мощности, поглощаемая мишенью, определяется коэффициентом поглощения , обычно 0,6-0,9. Средняя поверхностная плотность мощности (поток): . Поток в центре источника: , где — коэффициент сосредоточенности источника. Энергия электрона при встрече с мишенью: [эВ] . Скорость электрона в месте встречи: , — масса электрона. В технологических установках скорости света. Поглощённые электроны отдают энергию электронам мишени, а они затем атомам кристаллической решётки. Кинетическую энергию электронов бывает удобно характеризовать температурой. Как известно, средняя энергия связана с температурой электронов следующим образом: