Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12

Журнал «Домашняя лаборатория»

Электрон был открыт в 1897 году Дж. Томсоном, доказавшим, что катодные лучи, возникающие при разряде в разреженном газе, состоят из идентичных отрицательно заряженных частиц. Он также доказал, что их заряд гораздо больше заряда других частиц и вычислил их удельный заряд, равный 1,76 х 10¹¹ Кл/кг. Томсон сделал эти открытия в ходе серии исследований поведения катодных лучей в электрическом и магнитном полях, определив, что электроны — это отрицательно заряженные частицы, содержащиеся в каждом атоме. Ему не удалось измерить заряд и массу отдельного электрона, а потому он не мог и утверждать, что масса электрона во много раз меньше атома водорода.

Заряд электрона е измерил в 1915 году Роберт Милликэн, разработавший метод

измерения заряда отдельных масляных капель. Милликэн обнаружил, что заряд капли всегда измеряется целым числом, умноженным на 1,6 х 10^{– 19} Кл. Отсюда ученый сделал вывод, что такой заряд является минимальным и именно он имеет отдельный электрон. Появилась возможность вычислить массу электрона, разделив заряд на удельный заряд; таким образом выяснили, что она равна 9,1 х 10^{– 31} кг.

См. также статьи «Взаимодействия частиц», «Электронные лучи 1 и 2».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 1 — ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

В процессе термоэлектронной эмиссии, т. е. испускании электронов с нити накала, в вакуумной трубке образуется электронный луч (пучок электронов). Нить накала (нагреваемый катод) разогревается при прохождении по ней электрического тока. Электроны в проводнике приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы покинуть металл и притянуться к расположенной поблизости положительно заряженной пластине, имеющей небольшое отверстие, через которое пропускается некоторое количество электронов. Затем эти электроны, проходя между «фокусирующими» электродами, фокусируются в пучок.

Кинетическая энергия и, следовательно, скорость электронов в электронном пучке зависят от потенциала анода V_A, так как работа, прикладываемая к каждому электрону анодом, придает электрону кинетическую энергию. Поскольку работа равна eV_A, то и кинетическая энергия электрона в пучке также равна eV_A. При условии, что скорость v электрона значительно меньше скорости света, его кинетическая энергия равна ¹/₂mv², следовательно, ¹/₂mv² = eV_A.

Из приведенной выше формулы следует, что все электроны в одном луче имеют одинаковую кинетическую энергию и скорость и поэтому равномерно отклоняются электрическим и магнитным полями. На практике электроны в луче имеют небольшой диапазон скоростей вследствие относительно небольшой начальной кинетической энергии в нагреваемом катоде.

В электронно-лучевых трубках телевизоров или мониторов применяются магнитные отклоняющие катушки, заставляющие луч двигаться по люминесцентному экрану вдоль горизонтали и затем смещаться чуть ниже. Таким образом на экране создается изображение. Различия в сигнале регулируют яркость луча.

В трубках осциллографов применяются электростатические пластины, заставляющие луч двигаться вдоль одной и той же линии сначала медленно в одном направлении, а затем быстро в другом. При изменении напряжения параллельных пластин, между которыми проходит луч, на экране появляется изображение волнистой линии.

См. также статьи «Заряд и ток», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электрон».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 2 — ТРАЕКТОРИИ В ПОЛЯХ

В однородном электрическом поле напряженностью Е

пучок электронов испытывает действие постоянной силы F — еЕ в направлении, противоположном направлению электрического поля. Следовательно, часть траектории пучка электронов представляет собой параболу, схожую с траекторией брошенного тела, поскольку на него тоже действует одна постоянная сила в одном направлении (сила тяжести). Однородное электрическое поле напряженностью Е = V/d создается при разности потенциалов V между двумя пластинами, расположенными параллельно на расстоянии d друг от друга. В осциллографах отклонение электронного луча пропорционально разности потенциалов между отклоняющими пластинами.

В однородном магнитном поле с плотностью магнитного потока В электрон, движущийся со скоростью v под прямым углом к линиям магнитного поля, испытывает действие силы F = Bev. Эта сила перпендикулярна линиям магнитного поля и направлению движения электрона. При отсутствии других полей электрон движется по круговой траектории с радиусом r = mv/Be. Эта сила вызывает центростремительное ускорение, в результате которого Bev = mv²/r. Сила магнитного поля не совершает работы по отношению к электрону, потому что ее направление совпадает с направлением электронного луча. В электронно-лучевых трубках телевизоров и мониторов магнитное поле используется для отклонения электронного луча, который движется вдоль люминесцентного экрана и создается вследствие прохождения тока по ряду отклоняющих катушек.

См. также статьи «Круговое движение», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электронные лучи 2».

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Электропроводность, или электрическая проводимость, металлов, собственных полупроводников и полупроводников n-типа обусловлена наличием в них свободных электронов, носителей отрицательного заряда. Электроны свободно движутся внутри вещества, поскольку их не удерживают атомы. Носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дыры. В ионных растворах носителями заряда служат положительно и отрицательно заряженные ионы.

При разности потенциалов на концах металлического проводника или полупроводника носители зарядов, притягиваясь к противоположно заряженному концу, начинают к нему перемещаться. Так возникает электрический ток.

Для проводника с постоянной площадью поперечного сечения электропроводность определяется как отношение длины к произведению сопротивления на площадь поперечного сечения. Единицей электрической проводимости служит сименс на метр (См/м).

Удельным сопротивлением материала называется величина, обратная электропроводности (1/электропроводность). Единицей удельного сопротивления служит омметр (Ом•м). Электрическая проводимость зависит от количества носителей заряда в единице объема вещества. При нагревании металлов их электропроводность уменьшается, потому что колебания атомов усиливаются и затрудняют перемещение электронов. При нагревании полупроводников их электропроводность увеличивается. Это происходит из-за того, что при повышении температуры все большее число электронов отрывается от атомов.