Движение электронов в магнитном поле

                                         СОДЕРЖАНИЕ:

 

Вопрос № 4.   Движение электронов в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . .2

Вопрос № 14. Электронно-лучевые трубки с

                       электростатическим управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Вопрос № 24. Обратные связи в усилителях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Вопрос № 31. Однополупериодная схема выпрямления. . . . . . . . . . . . . . . .10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

 

 

 

Вопрос № 4.

Движение электронов в магнитном поле

 

 

Электрон – элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это - самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение - релятивистскую квантовую теорию поля.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения1, магнитная составляющая электромагнитного поля.2 Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции  (вектор индукции магнитного поля)3. С математической точки зрения  - векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина). Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.

Магнитное поле создается (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны.

С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие - как частный случай электромагнитного взаимодействия переносится фундаментальным безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) - виртуальным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Электрический ток(I), проходя по проводнику, создает магнитное поле (B) вокруг проводника.

 

Движущийся электрон создает элементарный электрический ток, поэтому характер действия магнитного поля на электрон можно определить исходя из законов действия магнитного поля на проводник с током.

Если скорость электрона равна нулю (v = 0), то сила тока также равна нулю. Если вектор начальной скорости электрона v параллелен вектору В магнитной индукции поля, т.е.α = 0, то = Bev sinα = 0.

В этом случае электрон не испытывает воздействия никаких отклоняющих сил и его траектория прямолинейна. Следовательно, в отличие от электрического поля магнитное поле действует на электрон только тогда, когда траектория электрона в магнитном поле пересекает силовые линии этого поля, т.е. когда sinα ≠ 0.

 

   б)    z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Траектория электрона в магнитном поле.

Если вектор начальной скорости электрона ортогонален вектору магнитной индукции однородного магнитного поля, т.е. α = π/2 (см. рис.2,a), то сила, действующая на электрон, = evВ sinα(π/2) = evВ .

Направление этой силы определяется по правилу левой руки. В соответствии со вторым законом Ньютона сила F = ma сообщает электрону с массой m ускорение α= /m=(e/m)vB. Сила перпендикулярна направлению мгновенной  скорости электрона v и направлению магнитных силовых линий поля. Поскольку сила и сообщаемое ею ускорение α ортогональны скорост v(β=90°), то электрон под действием этого нормального (центростремительного) ускорения будет двигаться по окружности (см. рис. 2,а; штриховая линия), лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля.

Сила , действующая на электрон, перпендикулярна направлению его мгновенной скорости, поэтому она не перемещает электрон и не изменяет его кинетической энергии. Поэтому скорость электрона…. Постоянна. Магнитное поле не изменяет энергии движущегося в нём электрона, а изменяет траекторию его движения.

В однородном магнитном поле В = const, а при v =const сила =evB тоже постоянна и вызывает появление постоянного по величине ускорения. В результате электрон в магнитном поле движется по круговой траектории с постоянной скоростью. Радиус круговой траектории электрона r ( в метрах) можно определить из равенства центростремительной и магнитной

Откуда

R=v/В или r=2,68Н,

 

где U – потенциал, соответствующий скорости v,B; Н – напряжённость магнитного поля, А/м; В – магнитная индукция, Тл.

Радиус траектории электрона пропорционален его скорости и обратно пропорционален магнитной индукции. Поскольку магнитная индукция постоянна во времени, то период полного оборота электрона Т и угловая скорость ω:

T== ω=

 

Из этого следует вывод,  что период и угловая скорость обращения электрона по окружности н зависят от первоначальной скорости, с которой электрон влетает в магнитное поле, а определяются только магнитной индукцией.

  В общем случае начальная скорость электрона может быть не перпендикулярна магнитной индукции, т.е. α˂π/2 (рис.2,б), тогда скорость электрона v можно разложить на составляющие , параллельную силовым линиям поля, и , перпендикулярную им:

 

=v cosα; =v sinα,

которым соответствуют составляющие силы ;  .

 

Под действием параллельной составляющей силы электрон равномерно перемещается вдоль силовых линий. Перпендикулярная составляющая вызывает движение электрона по круговой траектории. В результате одновременного действия обеих составляющих электрон перемещается по винтовой  траектории ( по спирали) с радиусом

r=()(v cosα)/B

 и постоянным шагом  спирали 

T=2π(/e)( v cosα)/B

 

Такая траектория движения электронов под действием магнитного поля используется для фокусировки и управлением электронным потоком в электронно-лучевых трубках, магнетронах, лампах бегущей волны и других приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 14.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением.

 

Электронно-лучевой трубкой4 (ЭЛТ) называют вакуумную электронную лампу, в которой поток электронов концентрируют в луч, направленный в сторону экрана. Обычно концентрацию (фокусировку) электронов в луч осуществляют либо воздействием электрического поля, либо магнитного поля. К разновидностям ЭЛТ относят: электромагнитные, электростатические, запоминающие, индикаторные трубки, кинескопы и прочие. ЭЛТ с электростатической фокусировкой используют в осциллографах в качестве устройства отображения осциллограмм.

Рассмотрим принцип действия электростатической электронно-лучевой трубки (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Упрощённое устройство и подключение электронно-лучевой

          трубки с электростатическим управлением:

           1 – нить накала; 2 – катод; 3 – модулятор; 4 и 5 – первый и

           второй аноды; 6 и 7 – пластины отклонения луча вдоль

           осей Y и X; 8 – аквадаг; 9 – экран трубки. Резистор R1

           служит для коррекции яркости изображения, а резистор

           R3 – для регулировки его фокуса.

 

Электронно-лучевая трубка состоит из трёх важнейших частей – электронной пушки, системы отклонения луча и экрана.

Электронная пушка включает нить накала, разогревающую никелевый катод, испускающий в результате эмиссии электроны, которые собирает в луч модулятор, состоящий из металлического цилиндра с маленьким отверстием в центре одного из торцов.

Чтобы разогнать электроны до необходимой скорости, используют систему из двух анодов. На второй анод подают много большее напряжение (от единиц до десятков киловольт), чем на первый анод (сотни вольт). Кроме увеличения скорости потока электронов, аноды осуществляют некоторую его фокусировку, действуя как электростатическая линза. Затем электронный луч

проходит между пластинами вертикального и горизонтального отклонения луча. Если приложить постоянное напряжение к одной из систем платин, то поток электронов будет смещён в сторону той пластины, к которой был подсоединён положительный полюс питания.

Внутреннюю поверхность экрана, выполненного из стекла, покрывают люминофором, т.е. веществом, попадая в которое электроны выбивают кванты света. Аквадагом именуют электропроводящее покрытие графитом поверхности колбы ЭЛТ, которое электрически подсоединяют ко второму аноду с целью поглощения вторичных электронов, которые возникают при достижении электронным лучом люминофора.

В ЭЛТ с электромагнитным управлением электронный поток фокусируют не пластины горизонтального и вертикального отклонения луча, а фокусирующая и отклоняющая катушки, которые надевают на колбу трубки, порождающие взаимно перпендикулярные магнитные потоки. Аноды при электромагнитном управлении лучом служат исключительно для его ускорения.

В настоящее время электронно-лучевые трубки практически полностью вытеснены из бытовой аппаратуры. Однако их продолжают использовать в специальной аппаратуре, например, которая должна работать в условиях радиации, а также это могут быть радиолокаторы, системы наблюдения за промышленными роботами и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 24

Обратные связи в усилителях

 

Усилитель5 — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

Обратной связью6 называется передача сигнала с выхода на вход. Если за счет обратной связи значение сигнала на выходе увеличивается, обратная связь называется положительной. Если выходной сигнал понижается, обратная связь называется отрицательной. Обратные связи могут производиться по напряжению и току.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Обратные связи в усилителях:

           а,б – по напряжению;

           в,г – по току.

 

Обратная связь по напряжению перестает действовать при коротком замыкании на выходе. Обратная связь по току перестает действовать при холостом ходе на выходе.

Во всех схемах с обратной связью коэффициент передачи усилителя

  =

где - напряжения соответственно на входе и выходе усилителя.

 

Коэффициент обратной связи усилителя определяется отношением

 

= ,

 

где - напряжение обратной связи

 

Для схем, показанных на рис. 4, а, б, имеем:

 

 

 

 

где - напряжение на входе усилителя при наличии напряжения обратной связи.

 

Тогда коэффициент усиления каскада (коэффициент передачи)

= ,

 

где или K = - коэффициент усиления без обратной связи.

 

Отрицательная обратная связь существенно влияет на технические параметры усилителя. При наличии этой связи: уменьшаются нелинейные, частотные, фазовые искажения и шумы; повышается стабильность коэффициента передачи; уменьшается выходное и увеличивается входное сопротивления.

К недостаткам отрицательной обратной связи следует отнести уменьшение коэффициента усиления.

Положительная обратная связь применяется в генераторах для возбуждения незатухающих гармонических колебаний. Эта связь определяет стабильность частоты сигнала генератора.

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 31

Однополупериодная схема выпрямления.

 

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры7.

Основными элементами выпрямителя являются вентили (диоды или тиристоры), которые пропускают ток по электрической цепи только в одном направлении—от анода к катоду (рис. 5,а). При изменении полярности напряжения, приложенного к вентилю, он запирается, т. е. не позволяет протекать току по цепи в обратном направлении (рис. 5, б). Таким образом, электрический вентиль действует наподобие клапана в трубопроводе, который пропускает поток жидкости или газа только в одном направлении. Вентили могут включаться по различным схемам, в зависимости от этого изменяется форма выпрямленного тока и напряжения. Характер изменения выпрямленного тока и напряжения не зависит от того, какие вентили применены в выпрямителе: ртутные, полупроводниковые или электронные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Прохождение электрического тока через вентиль

           при подаче на него прямого (а) и обратного (б)

           напряжений.

 

Электри́ческий ток8 — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии.

Рассмотрим процесс, происходящий при выпрямлении переменного тока для наиболее простого случая, когда нагрузкой выпрямителя является резистор.

Для выпрямления переменного тока достаточно включить вентиль V в цепь, на которую подается переменная э.д.с. e (рис. 6, а) При этом вентиль будет пропускать ток только тогда, когда на его анод подан положительный потенциал, т. е. в течение положительных полупериодов э.д.с. источника переменного тока (рис. 6, б). Выпрямленный ток i (рис. 6, в) будет изменяться пропорционально э.д.с. и проходить от анода к катоду вентиля, а через нагрузку —от точки Н к точке К. В течение отрицательных полупериодов вентиль заперт и ток по нагрузке не проходит. Рассмотренный выпрямитель однополупериодный, так как он пропускает ток через потребитель только в течение одного полупериода. Выпрямленный ток в таком выпрямителе получается сильно пульсирующим, состоящим из отдельных полусинусоидальных импульсов, которые повторяются через полупериод. Такую же пульсацию имеет и выпрямленное напряжение на нагрузке

(рис. 6, г). За значение выпрямленного напряжения Ud на нагрузке принимают среднее значение Ucp пульсирующего напряжения и. Его можно определить как площадь Su заштрихованной фигуры, соответствующей одному периоду, поделенную на период Т—2π. Пренебрегая падениями напряжения в источнике переменного тока  и в вентиле, т. е. считая, что полуволны э. д. с. вторичной обмотки трансформатора непосредственно приложены к нагрузке, получим:

 

;      

 

               где и Е – максимальное и действующее значение э.д.с. источника    

               переменного тока.

 

Напряжение, приложенное к вентилю, также изменяется при изменении э.д.с. источника переменного тока (см. р 6, б). В течение положительных полупериодов напряжение между анодом и катодом равно прямому падению напряжения на вентиле . При отрицательных же полупериодах к вентилю  приложена вся э.д.с. источника тока, так как запертый вентиль образует в идеальном случае разрыв в цепи тока. Следовательно, вентиль должен выдерживать без пробоя обратное напряжение, равное амплитуде Ет э.д.с. источника тока.

Из-за большой пульсации тока и напряжения однополупериодная схема выпрямления не находит широкого применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. БСЭ. 1973, "Советская энциклопедия".
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985, — 512 с.
3. Бодиловский В.Г. полупроводниковые и электровакуумные приборы в устройствах автоматики телемеханики и связи. Транспорт, 1986.
4. Бервинов В.И. электроника, микроэлектроника, автоматика на железнодорожном транспорте. Транспорт, 1987.

 

Электронные ресурсы:

 

6. http://ru.wikipedia.org/
7. http://www.moskatov.narod.ru/
8. http://toe-kgeu.ru/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 БСЭ. 1973, "Советская энциклопедия".

2 В частных случаях магнитное поле может существовать и в отсутствие электрического поля, но вообще говоря магнитное поле глубоко с взаимосвязано с электрическим как динамически (взаимное порождение переменными электрическим и магнитнам полем друг друга), так и в том смысле, что при переходе в новую систему отсчета магнитное и электрическое поле выражаются друг через друга, т.е. вообще говоря не могут быть безусловно разделены.

3 Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985, — 512 с.

4http://www.moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/Indicators_and_displays.html

5 http://ru.wikipedia.org/wiki/%D3%F1%E8%EB%E8%F2%E5%EB%FC

6 http://toe-kgeu.ru/automaticelements/181-automaticelements1

7 http://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%FB%EF%F0%FF%EC%E8%F2%E5%EB%FC#cite_note-0

8 http://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EB%E5%EA%F2%F0%E8%F7%E5%F1%EA%E8%E9_%F2%EE%EA