Kontrolní otázky .. 18

9. Laboratorní práce č. 2. Studium termionické emise při nízkých emisních proudových hustotách . 18

Zakázka .. 19

Požadavky na zprávy . 19

Kontrolní otázky .. 19

Úvod

Emisní elektronika studuje jevy spojené s emisí (emisí) elektronů z kondenzovaného prostředí. K emisi elektronů dochází v případech, kdy část elektronů tělesa získá v důsledku vnějšího vlivu energii dostatečnou k překonání potenciálové bariéry na jeho hranici, nebo pokud vnější elektrické pole ji pro část elektronů „zprůhlední“. V závislosti na povaze vnějšího vlivu existují:

• termionická emise (zahřívání těles);
• sekundární emise elektronů (bombardování povrchu elektrony);
• iontově-elektronová emise (bombardování povrchu ionty);
• fotoelektronová emise (elektromagnetické ozařování);
• exoelektronický emise (mechanické, tepelné a jiné druhy povrchových úprav);
• emise pole (vnější elektrické pole) atd.

Ve všech jevech, kde je třeba počítat buď s výstupem elektronu z krystalu do okolního prostoru, nebo s přechodem z jednoho krystalu do druhého, nabývá rozhodujícího významu charakteristika zvaná „Funkce práce“. Pracovní funkce je definována jako minimální energie potřebná k odstranění elektronu z pevné látky a jeho umístění do bodu, kde se předpokládá, že jeho potenciální energie je nulová. Kromě popisu různých emisních jevů hraje pojem pracovní funkce důležitou roli při vysvětlení vzniku rozdílu kontaktních potenciálů při kontaktu dvou kovů, kovu s polovodičem, dvou polovodičů a také galvanických jevů.

Pokyny se skládají ze dvou částí. První část obsahuje základní teoretické informace o emisních jevech v pevných látkách. Hlavní pozornost je věnována fenoménu termionické emise. Druhá část poskytuje popis laboratorní práce věnované experimentálnímu studiu termionické emise, studiu rozdílu kontaktních potenciálů a rozložení pracovní funkce po povrchu vzorku.

Část 1. Základní teoretické informace

1. Funkce práce elektronů. Vliv na pracovní funkci stavu povrchu

Skutečnost, že elektrony jsou zadrženy uvnitř pevné látky, naznačuje, že v povrchové vrstvě těla vzniká zpomalující pole, které brání elektronům v tom, aby ji opustily do okolního vakua. Schematické znázornění potenciální bariéry na hranici pevné látky je na Obr. 1. Aby elektron opustil krystal, musí vykonat práci rovnou pracovní funkci. Rozlišovat termodynamické A externí pracovní funkce.

Termodynamická pracovní funkce je rozdíl mezi nulovou energií vakua a Fermiho energií pevné látky.

Vnější pracovní funkce (neboli elektronová afinita) je rozdíl mezi energií nulové úrovně vakua a energií spodní části vodivostního pásu (obr. 1).

Rýže. 1. Forma krystalového potenciálu U podél linie umístění iontů v krystalu a v oblasti blízkého povrchu krystalu: polohy iontů jsou vyznačeny tečkami na vodorovné čáře; φ=- U /е – potenciál pracovní funkce; E F – Fermiho energie (negativní); E C– energie spodní části vodivého pásu; W O – termodynamická pracovní funkce; W a – externí pracovní funkce; stínovaná oblast obvykle představuje vyplněné elektronické stavy

Existují dva hlavní důvody pro vznik potenciální bariéry na rozhraní pevné látky a vakua. Jedním z nich je fakt, že elektron emitovaný z krystalu indukuje na jeho povrchu kladný elektrický náboj. Mezi elektronem a povrchem krystalu vzniká přitažlivá síla (elektrická obrazová síla, viz část 5, obr. 12), která má tendenci vrátit elektron zpět do krystalu. Dalším důvodem je skutečnost, že elektrony mohou v důsledku tepelného pohybu procházet povrchem kovu a vzdalovat se od něj na krátké vzdálenosti (řádově atomové). Tvoří záporně nabitou vrstvu nad povrchem. V tomto případě se po úniku elektronů na povrchu krystalu vytvoří kladně nabitá vrstva iontů. V důsledku toho se vytvoří elektrická dvojitá vrstva. Nevytváří pole ve vnějším prostoru, ale vyžaduje také práci k překonání elektrického pole uvnitř samotné dvouvrstvy.

Hodnota pracovní funkce pro většinu kovů a polovodičů je několik elektronvoltů. Například pro lithium je pracovní funkce 2,38 eV, železo – 4,31 eV, germanium – 4,76 eV, křemík – 4,8 eV. Do značné míry je hodnota pracovní funkce určena krystalografickou orientací plochy monokrystalu, ze které dochází k emisi elektronů. Pro rovinu wolframu (110) je pracovní funkce 5,3 eV; pro roviny (111) a (100) jsou tyto hodnoty 4,4 eV a 4,6 eV.

Velký vliv na pracovní funkci mají tenké vrstvy nanesené na povrchu krystalu. Atomy nebo molekuly uložené na povrchu krystalu mu často darují elektron nebo z něj elektron přijmou a stanou se ionty. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje energetický diagram kovu a izolovaného atomu pro případ, kdy termodynamická pracovní funkce elektronu z kovu W 0 větší než ionizační energie E iont atomu uloženého na jeho povrchu.V této situaci je elektron atomu energeticky výhodný tunel do kovu a sestoupit v něm na Fermiho úroveň. Povrch kovu pokrytý takovými atomy se negativně nabije a vytvoří dvojitou elektrickou vrstvu s kladnými ionty, jejíž pole sníží pracovní funkci kovu. Na Obr. 3 znázorňuje krystal wolframu potažený monovrstvou cesia. Zde je realizována výše diskutovaná situace, protože energie E iont cesium (3,9 eV) je menší než pracovní funkce wolframu (4,5 eV). Při pokusech se pracovní funkce sníží více než trojnásobně. Opačná situace je pozorována, pokud je wolfram pokryt atomy kyslíku (obr. 3 b). Protože vazba valenčních elektronů v kyslíku je pevnější než ve wolframu, při adsorbování kyslíku na povrchu wolframu vzniká elektrická dvojvrstva, která zvyšuje pracovní funkci kovu. Nejběžnějším případem je, že atom uložený na povrchu zcela neodevzdá svůj elektron kovu nebo přijme elektron navíc, ale deformuje svůj elektronový obal tak, že atomy adsorbované na povrchu jsou polarizovány a stávají se elektrickými dipóly (obr. 3c). V závislosti na orientaci dipólů se pracovní funkce kovu snižuje (orientace dipólů odpovídá obr. 3c) nebo roste.

2. Jev termionické emise

Termionická emise je jedním z typů emise elektronů z povrchu pevné látky. V případě termionické emise je vnější vliv spojen s ohřevem pevné látky.

Fenomén termionické emise je emise elektronů zahřátými tělesy (zářiči) do vakua nebo jiného prostředí.

Za podmínek termodynamické rovnováhy počet elektronů n(E), mající energii v rozmezí od E před E+d E, je určeno statistikou Fermi-Dirac:

,(1)

Kde g(E)– počet kvantových stavů odpovídající energii E; E F – Fermiho energie; k– Boltzmannova konstanta; T- absolutní teplota.

Na Obr. Obrázek 4 ukazuje energetický diagram kovu a křivky distribuce energie elektronů at T=0 K, při nízké teplotě T 1 a při vysokých teplotách T 2. Při 0 K je energie všech elektronů menší než Fermiho energie. Žádný z elektronů nemůže opustit krystal a není pozorována žádná termionická emise. S rostoucí teplotou se zvyšuje počet tepelně excitovaných elektronů schopných opustit kov, což způsobuje jev termionické emise. Na Obr. 4 to ilustruje skutečnost, že když T=T2„ocas“ distribuční křivky přesahuje nulovou úroveň potenciálního vrtu. To ukazuje na výskyt elektronů s energií přesahující výšku potenciální bariéry.

U kovů je pracovní funkcí několik elektronvoltů. Energie k T i při teplotách tisíců Kelvinů je to zlomek elektronvoltu. Pro čisté kovy lze významnou emisi elektronů získat při teplotě asi 2000 K. Například v čistém wolframu lze dosáhnout znatelné emise při teplotě 2500 K.

Pro studium termionické emise je nutné vytvořit elektrické pole na povrchu zahřátého tělesa (katody), urychlující elektrony k jejich odstranění (sání) z povrchu emitoru. Vlivem elektrického pole se emitované elektrony začnou pohybovat a vzniká elektrický proud, který je tzv termionický. K pozorování termionického proudu se obvykle používá vakuová dioda - elektronka se dvěma elektrodami. Katoda lampy je vlákno vyrobené ze žáruvzdorného kovu (wolfram, molybden atd.), ohřívané elektrickým proudem. Anoda má obvykle tvar kovového válce obklopujícího vyhřívanou katodu. Pro pozorování termionického proudu je dioda zapojena do obvodu znázorněného na Obr. 5. Je zřejmé, že síla termionického proudu by se měla zvyšovat s rostoucím rozdílem potenciálu PROTI mezi anodou a katodou. Toto zvýšení však není úměrné PROTI(obr. 6). Po dosažení určitého napětí se nárůst termionického proudu prakticky zastaví. Mezní hodnota termionického proudu při dané katodové teplotě se nazývá saturační proud. Velikost saturačního proudu je určena počtem termionických elektronů, které jsou schopny opustit povrch katody za jednotku času. V tomto případě jsou všechny elektrony dodávané termionickou emisí z katody využity k výrobě elektrického proudu.

3. Závislost termionického proudu na teplotě. Vzorec Richardson-Deshman

Při výpočtu hustoty termionického proudu použijeme model elektronového plynu a aplikujeme Fermi-Dirac statistiky k tomu. Je zřejmé, že hustota termionického proudu je určena hustotou elektronového mraku v blízkosti povrchu krystalu, který je popsán vzorcem (1). V tomto vzorci přejděme od rozložení energie elektronů k rozložení hybnosti elektronů. V tomto případě bereme v úvahu, že povolené hodnoty vektoru elektronové vlny k PROTI k -space jsou rozloženy rovnoměrně tak, že pro každou hodnotu k tvořil objem 8 p 3 (pro objem krystalu rovný jedné). Vzhledem k tomu, že hybnost elektronů p =ћ k získáme, že počet kvantových stavů v objemovém prvku prostoru hybnosti dp xdp ydp z budou rovné

(2)

Dvojka v čitateli vzorce (2) bere v úvahu dvě možné hodnoty spinu elektronů.

Nasměrujme osu z pravoúhlý souřadnicový systém kolmý k povrchu katody (obr. 7). Vyberme oblast jednotkové plochy na povrchu krystalu a postavíme na ní, jako na základně, obdélníkový rovnoběžnostěn s boční hranou v z =p z /m n(m n– efektivní hmotnost elektronů). Elektrony přispívají k hustotě saturačního proudu součásti v z rychlost osy z. Příspěvek k proudové hustotě od jednoho elektronu je roven

(3)

Kde E– elektronový náboj.

Počet elektronů v rovnoběžnostěnu, jehož rychlosti jsou obsaženy v uvažovaném intervalu:

Aby se krystalová mřížka při emisi elektronů nezničila, musí krystal opustit nevýznamná část elektronů. K tomu, jak ukazuje vzorec (4), musí být splněna podmínka JEJÍF>> k T. Pro takové elektrony lze jednotu ve jmenovateli vzorce (4) zanedbat. Poté se tento vzorec převede na formu

(5)

Nyní zjistíme počet elektronů dN v uvažovaném rozsahu, z-jehož impulsní složka je obsažena mezi R z A R z +dp z. K tomu musí být předchozí výraz integrován přes R X A R y v rozsahu od –∞ do +∞. Při integraci je třeba vzít v úvahu, že

,

a použijte tabulkový integrál

,.

Jako výsledek dostáváme

.(6)

Nyní, vezmeme-li v úvahu (3), najdeme hustotu termionického proudu vytvořeného všemi elektrony rovnoběžnostěnu. K tomu je třeba integrovat výraz (6) pro všechny elektrony, jejichž kinetická energie je na Fermiho úrovni E ≥E F +W 0 Pouze takové elektrony mohou krystal opustit a pouze ony hrají roli při výpočtu termoproudu. Složka hybnosti takových elektronů podél osy Z musí splňovat podmínku

Proto hustota saturačního proudu

Integrace se provádí pro všechny hodnoty. Představme si novou integrační proměnnou

Pak p z dp z =m n du A

.(8)

Jako výsledek dostáváme

,(9)

,(10)

kde je konstanta

.

Rovnost (10) se nazývá vzorec Richardson-Deshman. Měřením hustoty termionického saturačního proudu lze tento vzorec použít k výpočtu konstanty A a pracovní funkce W 0 . Pro experimentální výpočty platí vzorec Richardson-Deshman je vhodné jej reprezentovat ve formě

V tomto případě graf ukazuje závislost ln(js/T 2) od 1 /T vyjádřeno přímkou. Z průsečíku přímky se souřadnicovou osou se vypočítá ln A , a úhlem sklonu přímky je určena pracovní funkce (obr. 8).

4. Rozdíl kontaktních potenciálů

Uvažujme procesy, ke kterým dochází, když se dva elektronické vodiče, například dva kovy, s různými pracovními funkcemi přiblíží a dostanou do kontaktu. Energetické diagramy těchto kovů jsou na Obr. 9. Nechat EF 1 A EF 2 je Fermiho energie pro první a druhý kov a W 01 A W 02– jejich pracovní funkce. V izolovaném stavu mají kovy stejnou úroveň vakua, a proto různé úrovně Fermi. Předpokládejme pro jistotu, že W 01< W 02, pak bude Fermiho hladina prvního kovu vyšší než hladina druhého (obr. 9a). Když se tyto kovy dostanou do kontaktu naproti obsazeným elektronickým stavům v kovu 1, existují volné energetické hladiny kovu 2. Proto, když se tyto vodiče dostanou do kontaktu, vzniká výsledný tok elektronů z vodiče 1 do vodiče 2. To vede k skutečnost, že první vodič, který ztrácí elektrony, se stává kladně nabitý a druhý vodič získává další negativní náboj je nabitý záporně. Díky nabíjení se všechny energetické úrovně kovu 1 posunou dolů a kovu 2 nahoru. Proces posunu hladin a proces přechodu elektronů z vodiče 1 na vodič 2 bude pokračovat, dokud nebudou Fermiho hladiny obou vodičů vyrovnány (obr. 9 b). Jak je vidět z tohoto obrázku, rovnovážný stav odpovídá rozdílu potenciálů mezi nulovými úrovněmi vodičů 0 1 a 0 2:

.(11)

Potenciální rozdíl V K.R.P volal rozdíl kontaktních potenciálů. V důsledku toho je rozdíl kontaktních potenciálů určen rozdílem v pracovní funkci elektronů z kontaktujících vodičů. Získaný výsledek je platný pro všechny způsoby výměny elektronů mezi dvěma materiály, včetně termionické emise ve vakuu, přes vnější obvod atd. Podobné výsledky se získají, když se kov dostane do kontaktu s polovodičem. Mezi kovy a polovodičem vzniká rozdíl kontaktních potenciálů, který je přibližně stejně velký jako v případě kontaktu dvou kovů (přibližně 1 V). Jediný rozdíl je v tom, že pokud u vodičů dopadá celý rozdíl kontaktních potenciálů téměř na mezeru mezi kovy, pak při kontaktu kovu s polovodičem dopadá celý rozdíl kontaktních potenciálů na polovodič, ve kterém je dostatečně velká vrstva. vytvořené, obohacené nebo ochuzené o elektrony. Pokud je tato vrstva ochuzena o elektrony (v případě, že pracovní funkce polovodiče typu n je menší než pracovní funkce kovu), pak taková vrstva tzv. blokování a takový přechod bude mít narovnávací vlastnosti. Potenciální bariéra, která vzniká při usměrňovacím kontaktu kovu s polovodičem, se nazývá Schottkyho bariéra a diody fungující na jejím základě - Schottkyho diody.

VoltampérCharakteristika termionické katody při nízkých emisních proudových hustotách. Schottkyho efekt

Pokud vznikne rozdíl potenciálů mezi termionickou katodou a anodou diody (obr. 5) PROTI, zabraňující pohybu elektronů k anodě, pak k anodě budou moci dosáhnout pouze ty, které z katody vyletí se zásobou kinetické energie ne menší, než je energie elektrostatického pole mezi anodou a katodou, tzn. -E PROTI(PROTI< 0). K tomu musí být jejich energie v termionické katodě o nic menší W 0 – еPROTI. Poté nahrazení ve vzorci Richardson-Deshman (10) W 0 na W 0 – еPROTI, získáme následující výraz pro proudovou hustotu tepelné emise:

,(12)

Tady j S– hustota saturačního proudu. Vezměme logaritmus tohoto výrazu

.(13)

Při kladném potenciálu na anodě všechny elektrony opouštějící termionickou katodu přistávají na anodě. Proto by se proud v obvodu neměl měnit a zůstat rovný saturačnímu proudu. Tím pádem, voltampér Charakteristika (proudově-napěťová charakteristika) tepelné katody bude mít tvar znázorněný na Obr. 10 (křivka a).

Podobná proudově napěťová charakteristika je pozorována pouze při relativně nízkých emisních proudových hustotách a vysokých kladných potenciálech na anodě, kdy v blízkosti emitujícího povrchu nevzniká významný elektronový prostorový náboj. Proudově-napěťové charakteristiky termionické katody s přihlédnutím k prostorovému náboji, diskutované v části. 6.

Všimněme si další důležité vlastnosti proudově-napěťové charakteristiky při nízkých emisních proudových hustotách. Závěrem je, že termoproud dosáhne saturace při PROTI=0, platí pouze pro případ, kdy materiály katody a anody mají stejnou termodynamickou pracovní funkci. Pokud nejsou pracovní funkce katody a anody stejné, objeví se rozdíl kontaktních potenciálů mezi anodou a katodou. V tomto případě i při absenci vnějšího elektrického pole ( PROTI=0) mezi anodou a katodou je elektrické pole v důsledku rozdílu kontaktních potenciálů. Například pokud W 0k< W 0a pak bude anoda nabita záporně vzhledem ke katodě. Aby se zničil rozdíl kontaktních potenciálů, mělo by být na anodu aplikováno kladné předpětí. Proto voltampér charakteristika horké katody se posune o velikost rozdílu kontaktních potenciálů směrem ke kladnému potenciálu (obr. 10, křivka b). S inverzním vztahem mezi W 0k A W 0a směr posunu proudově-napěťové charakteristiky je opačný (křivka c na obr. 10).

Závěr o nezávislosti hustoty saturačního proudu při PROTI>0 je vysoce idealizované. V reálných charakteristikách proudového napětí termionické emise je pozorován mírný nárůst termionického emisního proudu s rostoucím PROTI v saturačním režimu, který je spojen s Schottkyho efekt(obr. 11).

Schottkyho jev je snížení pracovní funkce elektronů z pevných látek pod vlivem vnějšího urychlujícího elektrického pole.

Pro vysvětlení Schottkyho jevu uvažujme síly působící na elektron blízko povrchu krystalu. V souladu se zákonem elektrostatické indukce se na povrchu krystalu indukují povrchové náboje opačného znaménka, které určují interakci elektronu s povrchem krystalu. V souladu s metodou elektrických obrazů je působení skutečných povrchových nábojů na elektron nahrazeno působením fiktivního bod pozitivní nabít +e, umístěný ve stejné vzdálenosti od povrchu krystalu jako elektron, ale na opačné straně povrchu (obr. 12). Pak, v souladu s Coulombovým zákonem, síla interakce mezi dvěma bodovými náboji

,(14)

Tady ε Ó- elektrická konstanta: X je vzdálenost mezi elektronem a povrchem krystalu.

Potenciální energie elektronu v elektrickém obrazovém silovém poli, pokud se počítá od nulové úrovně vakua, je rovna

.(15)

Potenciální energie elektronu ve vnějším urychlujícím elektrickém poli E

Celková potenciální energie elektronu

.(17)

Grafické určení celkové energie elektronu umístěného v blízkosti povrchu krystalu je na Obr. 13, který jasně ukazuje pokles pracovní funkce elektronu z krystalu. Celková křivka potenciální energie elektronů (plná křivka na obr. 13) dosahuje maxima v bodě x m:

.(18)

Tento bod je 10 Á od povrchu při vnější intenzitě pole » 3× 10 6 V/cm.

Na místě X m celková potenciální energie rovna poklesu potenciálové bariéry (a tedy poklesu pracovní funkce),

.(19)

V důsledku Schottkyho jevu se proud tepelné diody při kladném napětí na anodě zvyšuje s rostoucím anodovým napětím. Tento efekt se projevuje nejen při emitování elektronů do vakua, ale také při jejich pohybu přes kontakty kov-polovodič nebo kov-izolátor.

6. Proudy ve vakuu omezené prostorovým nábojem. Zákon "tří sekund"

Při vysokých proudových hustotách termionického vyzařování je proudově-napěťová charakteristika výrazně ovlivněna objemovým záporným nábojem, který vzniká mezi katodou a anodou. Tento záporný objemový náboj zabraňuje elektronům unikajícím z katody dosáhnout anodu. Takže anodový proud se ukáže být menší než proud emise elektronů z katody. Když je na anodu aplikován kladný potenciál, přídavná potenciální bariéra na katodě vytvořená prostorovým nábojem klesá a anodový proud se zvyšuje. Toto je kvalitativní obraz vlivu prostorového náboje na proudově-napěťovou charakteristiku tepelné diody. Tuto otázku teoreticky prozkoumal Langmuir v roce 1913.

Vypočítejme, za několika zjednodušujících předpokladů, závislost proudu tepelné diody na rozdílu vnějších potenciálů mezi anodou a katodou a nalezneme rozložení pole, potenciálu a koncentrace elektronů mezi anodou a katodou, přičemž vezmeme v úvahu vesmírný poplatek.

Rýže. 14. K závěru zákona "tří sekund"

Předpokládejme, že elektrody diody jsou ploché. S malou vzdáleností mezi anodou a katodou d lze je považovat za nekonečně velké. Počátek souřadnic umístíme na povrch katody a osu X Nasměrujme jej kolmo k této ploše směrem k anodě (obr. 14). Teplotu katody budeme udržovat konstantní a stejnou T. Potenciál elektrostatického pole j , existující v prostoru mezi anodou a katodou, bude funkcí pouze jedné souřadnice X. Musí uspokojit Poissonova rovnice

,(20)

Tady r – objemová hustota náboje; n– koncentrace elektronů; j , r A n jsou funkcemi souřadnic X.

Vzhledem k tomu, že hustota proudu mezi katodou a anodou

a rychlost elektronů proti lze určit z rovnice

Kde m– hmotnost elektronu, rovnici (20) lze převést do tvaru

, .(21)

Tato rovnice musí být doplněna o okrajové podmínky

Tyto okrajové podmínky vyplývají ze skutečnosti, že potenciál a intenzita elektrického pole na povrchu katody musí zmizet. Vynásobení obou stran rovnice (21). dj /dx, dostaneme

.(23)

Vezmeme-li v úvahu, že

(24a)

A ,(24b)

píšeme (23) ve tvaru

.(25)

Nyní můžeme integrovat obě strany rovnice (25). X v rozmezí od 0 do této hodnoty X, při kterém je potenciál stejný j . Potom s přihlédnutím k okrajovým podmínkám (22) získáme

Integrace obou částí (27) v rozsahu od X=0, j = 0 až X=1, j= V a, dostaneme

.(28)

Umocněním obou stran rovnosti (28) a vyjádřením proudové hustoty j z A podle (21) dostáváme

.(30)

Vzorec (29) se nazývá Langmuirův „třísekundový zákon“.

Tento zákon platí pro elektrody libovolného tvaru. Vyjádření pro číselný koeficient závisí na tvaru elektrod. Výše získané vzorce umožňují vypočítat rozložení potenciálu, intenzity elektrického pole a hustoty elektronů v prostoru mezi katodou a anodou. Integrace výrazu (26) v rozsahu od X=0 na hodnotu, kdy je potenciál roven j , vede ke vztahu

těch. potenciál se mění úměrně vzdálenosti od katody X na sílu 4/3. Derivát dj/ dx charakterizuje intenzitu elektrického pole mezi elektrodami. Podle (26) velikost intenzity elektrického pole E ~X 19. Nakonec koncentrace elektronů

(32)

a podle (31) n(X)~ (1/X) 2/9 .

Závislosti j (X ), E(X) A n(X) jsou znázorněny na Obr. 15. Pokud X→0, pak má koncentrace tendenci k nekonečnu. Je to důsledek zanedbání tepelných rychlostí elektronů na katodě. V reálné situaci při termionické emisi elektrony opouštějí katodu nikoli s nulovou rychlostí, ale s určitou konečnou emisní rychlostí. V tomto případě bude anodový proud existovat, i když je v blízkosti katody malé reverzní elektrické pole. V důsledku toho se hustota objemového náboje může změnit na takové hodnoty, že potenciál v blízkosti katody klesne na záporné hodnoty (obr. 16). S rostoucím anodovým napětím klesá minimální potenciál a přibližuje se ke katodě (křivky 1 a 2 na obr. 16). Při dostatečně vysokém napětí na anodě se minimální potenciál spojí s katodou, intenzita pole na katodě se stane nulovou a závislost j (X) se blíží (29), vypočítané bez zohlednění počátečních rychlostí elektronů (křivka 3 na obr. 16). Při vysokých anodických napětích se prostorový náboj téměř úplně rozpustí a potenciál mezi katodou a anodou se mění podle lineárního zákona (křivka 4, obr. 16).

Rozložení potenciálu v mezielektrodovém prostoru se tedy při zohlednění počátečních rychlostí elektronů výrazně liší od toho, které je základem idealizovaného modelu při odvozování „třísekundového“ zákona. To vede ke změně a závislosti anodové proudové hustoty. Výpočet zohledňující počáteční rychlosti elektronů pro případ rozložení potenciálu znázorněného na Obr. 17 a pro válcové elektrody uvádí následující závislost pro celkový termionický emisní proud já (já=jS, Kde S– plocha průřezu termoproudu):

.(33)

Možnosti x m A Vm určeno typem závislosti j (X), jejich význam je zřejmý z obr. 17. Parametr X m rovna vzdálenosti od katody, ve které potenciál dosáhne své minimální hodnoty = Vm. Faktor C(x m), až na x m, závisí na poloměrech katody a anody. Rovnice (33) platí pro malé změny anodového napětí, protože A X m A Vm, jak bylo diskutováno výše, závisí na anodovém napětí.

Zákon „tří sekund“ tedy není univerzální, platí pouze v relativně úzkém rozsahu napětí a proudů. Je to však jasný příklad nelineárního vztahu mezi proudem a napětím v elektronickém zařízení. Nelinearita charakteristiky proud-napětí je nejdůležitější vlastností mnoha prvků rádiových a elektrických obvodů, včetně prvků polovodičové elektroniky.

Část 2. Laboratorní práce

7. Experimentální uspořádání pro studium termionické emise

Laboratorní práce č. 1 a 2 jsou prováděny na jedné laboratorní instalaci, realizované na bázi univerzálního laboratorního stojanu. Schéma instalace je na obr. 18. Měřicí část obsahuje EL vakuovou diodu s přímo nebo nepřímo žhavenou katodou. Na předním panelu měřicí sekce jsou zobrazeny kontakty vlákna „Žárovka“, anody „Anoda“ a katody „Katoda“. Vláknitým zdrojem je stabilizovaný zdroj stejnosměrného proudu typu B5-44A. Ikona I v diagramu označuje, že zdroj pracuje v aktuálním stabilizačním režimu. Postup práce se stejnosměrným zdrojem naleznete v technickém popisu a návodu k obsluze tohoto zařízení. Podobné popisy jsou k dispozici pro všechny elektrické měřicí přístroje používané při laboratorní práci. Součástí anodového obvodu je stabilizovaný zdroj stejnosměrného proudu B5-45A a univerzální digitální voltmetr B7-21A, používaný v režimu měření stejnosměrného proudu pro měření anodového proudu tepelné diody. Pro měření anodového napětí a žhavícího proudu katody lze použít přístroje zabudované ve zdroji nebo připojit přídavný voltmetr RV7-32 pro přesnější měření napětí na katodě.

Měřicí část může obsahovat vakuové diody s různými pracovními proudy katodových vláken. Při jmenovitém proudu vlákna dioda pracuje v režimu omezení anodového proudu prostorovým nábojem. Tento režim je nutný k provedení laboratorní práce č.1. Laboratorní práce č. 2 se provádí při snížených vláknových proudech, kdy je vliv prostorového náboje nevýznamný. Při nastavování proudu vlákna byste měli být obzvláště opatrní, protože Překročení proudu vlákna nad jeho nominální hodnotu pro danou elektronku vede k vyhoření vlákna katody a selhání diody. Při přípravě na práci si proto u svého učitele nebo inženýra určitě ověřte hodnotu proudu provozního vlákna diody použité při práci, údaje si zapište do sešitu a použijte je při sestavování protokolu o laboratorní práce.

8. Laboratorní práce č. 1. Studium vlivu vesmírného náboje na voltampércharakteristiky tepelného proudu

Cíl práce: experimentální studium závislosti termionického emisního proudu na anodovém napětí, stanovení exponentu ve „třísekundovém“ zákonu.

Voltampér Charakteristika termionického emisního proudu je popsána zákonem „tří sekund“ (viz kapitola 6). Tento režim činnosti diody nastává při dostatečně vysokých proudech katodových vláken. Typicky je při jmenovitém proudu vlákna proud vakuové diody omezen prostorovým nábojem.

Experimentální uspořádání pro provádění této laboratorní práce je popsáno v kap. 7. Při práci je nutné měřit proudově-napěťovou charakteristiku diody při jmenovitém proudu vlákna. Hodnota stupnice provozního proudu použité elektronky by měla být převzata od učitele nebo inženýra a zapsána do sešitu.

Zakázka

1. Seznamte se s popisem a postupem obsluhy přístrojů nezbytných pro provoz experimentálního nastavení. Sestavte obvod podle obr. 18. Instalaci lze připojit k síti až po kontrole správnosti sestaveného obvodu technikem nebo učitelem.

2. Zapněte zdroj proudu pro katodové vlákno a nastavte požadovaný proud vlákna. Protože když se proud vlákna mění, mění se teplota a odpor vlákna, což zase vede ke změně proudu vlákna, musí se nastavení provádět pomocí metody postupných aproximací. Po dokončení úpravy musíte počkat přibližně 5 minut, než se stabilizuje proud vlákna a teplota katody.

3. Připojte zdroj konstantního napětí k obvodu anody a změnou napětí na anodě změřte charakteristiku proud-napětí bod po bodu. Vezměte charakteristiku proud-napětí v rozsahu 0...25 V, každých 0,5...1 V.

IA(V a), kde IA- anodový proud, V a– anodové napětí.

5. Pokud je rozsah změn anodového napětí považován za malý, pak hodnoty x m, C(x, n) A Vm, zahrnuté ve vzorci (33), lze považovat za konstantní. Na svobodě V a velikost Vm lze zanedbat. Výsledkem je transformace vzorce (33) do tvaru (po přechodu z termoproudové hustoty). j na jeho plnou hodnotu já)

6. Ze vzorce (34) určete hodnotu S pro tři maximální hodnoty anodového napětí na charakteristice proud-napětí. Vypočítejte aritmetický průměr získaných hodnot. Dosazením této hodnoty do vzorce (33) určete hodnotu Vm pro tři minimální hodnoty napětí na anodě a vypočítejte aritmetický průměr Vm.

7. Pomocí získané hodnoty Vm, vykreslete závislost ln IA od ln( V a+|Vm|). Určete stupeň závislosti z tečny úhlu tohoto grafu IA(V a + Vm). Mělo by se to blížit 1.5.

8. Vypracujte protokol o práci.

Požadavky na zprávy

5. Závěry k práci.

Kontrolní otázky

1. Jak se nazývá jev termionické emise? Definujte pracovní funkci elektronu. Jaký je rozdíl mezi termodynamickou a externí pracovní funkcí?

2. Vysvětlete důvody vzniku potenciální bariéry na rozhraní pevné látky a vakua.

3. Vysvětlete na základě energetického diagramu kovu a křivky rozložení energie elektronů tepelnou emisi elektronů z kovu.

4. Za jakých podmínek je pozorován termionický proud? Jak můžete pozorovat termionický proud? Jak závisí proud tepelné diody na použitém elektrickém poli?

5. Uveďte zákon Richardson-Deshman

6. Vysvětlete kvalitativní obraz vlivu záporného objemového náboje na proudově-napěťovou charakteristiku tepelné diody. Formulujte Langmuirův „tři sekundový“ zákon.

7. Jaká jsou rozložení potenciálu, intenzity elektrického pole a hustoty elektronů v prostoru mezi katodou a anodou při proudech omezených prostorovým nábojem?

8. Jaká je závislost tepelného emisního proudu na napětí mezi anodou a katodou při zohlednění prostorového náboje a počátečních rychlostí elektronů? Vysvětlete význam parametrů, které určují tuto závislost;

9. Vysvětlete návrh experimentálního uspořádání pro studium termionické emise. Vysvětlete účel jednotlivých prvků obvodu.

10. Vysvětlete metodu experimentálního určení exponentu v zákoně „tří sekund“.

9. Laboratorní práce č. 2. Studium termionické emise při nízkých emisních proudových hustotách

Účel práce: prostudovat proudově-napěťové charakteristiky tepelné diody při nízkém topném proudu katody. Stanovení rozdílu kontaktního potenciálu mezi katodou a anodou z experimentálních výsledků, katodové teploty.

Při nízkých tepelných proudových hustotách voltampér charakteristika má charakteristický vzhled s inflexním bodem odpovídajícím modulu rozdílu kontaktního potenciálu mezi katodou a anodou (obr. 10). Katodovou teplotu lze určit následovně. Přejděme k rovnici (12), která popisuje proudově-napěťovou charakteristiku termionické emise při nízkých proudových hustotách, z termoproudové hustoty j na jeho plnou hodnotu já(j=já/S, Kde S– plocha průřezu termoproudu). Pak dostaneme

Kde JE– saturační proud.

Vezmeme-li logaritmy (35), máme

.(36)

V rozsahu, v jakém rovnice (36) popisuje charakteristiku proudového napětí v oblasti nalevo od inflexního bodu, je pro určení teploty katody nutné vzít v této oblasti libovolné dva body s anodovými proudy. já 1, já 2 a anodová napětí U a 1, U a 2 respektive. Potom podle rovnice (36)

Odtud získáme pracovní vzorec pro teplotu katody

.(37)

Zakázka

Chcete-li provést laboratorní práci, musíte:

1. Seznamte se s popisem a postupem obsluhy přístrojů nezbytných pro provoz experimentálního nastavení. Sestavte obvod podle obr. 18. Instalace může být připojena k síti až po kontrole správnosti sestaveného obvodu technikem nebo učitelem.

2. Zapněte zdroj proudu pro katodové vlákno a nastavte požadovaný proud vlákna. Po nastavení proudu musíte počkat přibližně 5 minut, než se ustálí proud vlákna a teplota katody.

3. Připojte zdroj konstantního napětí k obvodu anody a změnou napětí na anodě změřte charakteristiku proud-napětí bod po bodu. Voltampér odeberte charakteristiku v rozsahu 0...5 V každých 0,05...0,2 V.

4. Prezentujte výsledky měření do grafu v souřadnicích ln IA(V a), kde IA- anodový proud, V a– anodové napětí. Protože v této práci je rozdíl kontaktních potenciálů určen graficky, měřítko podél vodorovné osy by mělo být zvoleno tak, aby přesnost určení V K.R.P nebylo menší než 0,1 V.

5. Pomocí inflexního bodu charakteristiky proud-napětí určete rozdíl kontaktních potenciálů mezi anodou a katodou.

6. Určete teplotu katody pro tři páry bodů na nakloněném lineárním úseku charakteristiky proud-napětí vlevo od inflexního bodu. Katodová teplota by se měla vypočítat pomocí vzorce (37). Z těchto údajů vypočítejte průměrnou teplotu.

7. Vypracujte protokol o práci.

Požadavky na zprávy

Zpráva je vypracována na standardním listu papíru A4 a musí obsahovat:

1. Základní informace o teorii.

2. Schéma experimentálního uspořádání a jeho stručný popis.

3. Výsledky měření a výpočtů.

4. Analýza získaných experimentálních výsledků.

5. Závěry k práci.

Kontrolní otázky

1. Vyjmenujte druhy emise elektronů. Co způsobuje uvolňování elektronů při každém typu emise elektronů?

2. Vysvětlete jev termionické emise. Definujte pracovní funkci elektronu z pevné látky. Jak můžeme vysvětlit existenci potenciální bariéry na hranici mezi pevnou látkou a vakuem?

3. Vysvětlete na základě energetického diagramu kovu a křivky rozložení energie elektronů tepelnou emisi elektronů z kovu.

4. Uveďte zákon Richardson-Deshman. Vysvětlete fyzikální význam veličin obsažených v tomto zákoně.

5. Jaké jsou vlastnosti proudově-napěťové charakteristiky termionické katody při nízkých emisních proudových hustotách? Jak to ovlivňuje rozdíl kontaktního potenciálu mezi katodou a anodou?

6. Co je to Schottkyho jev? Jak je tento efekt vysvětlen?

7. Vysvětlete pokles potenciálové bariéry pro elektrony vlivem elektrického pole.

8. Jak bude v této laboratoři určena teplota katody?

9. Vysvětlete způsob stanovení rozdílu kontaktních potenciálů v této práci.

10. Vysvětlete schéma a účel jednotlivých prvků uspořádání laboratoře.

Vodivostní elektrony spontánně neopouštějí kov ve znatelném množství. To se vysvětluje tím, že kov pro ně představuje potenciální díru. Pouze ty elektrony, jejichž energie je dostatečná k překonání potenciální bariéry přítomné na povrchu, jsou schopny opustit kov. Síly způsobující tuto bariéru mají následující původ. Náhodné odstranění elektronu z vnější vrstvy kladných iontů mřížky má za následek výskyt přebytečného kladného náboje v místě, kde elektron odešel.

Coulombova interakce s tímto nábojem nutí elektron, jehož rychlost není příliš vysoká, vrátit se zpět. Jednotlivé elektrony tak neustále opouštějí povrch kovu, vzdalují se od něj několik meziatomových vzdáleností a pak se obracejí zpět. V důsledku toho je kov obklopen tenkým oblakem elektronů. Tento oblak spolu s vnější vrstvou iontů tvoří elektrickou dvojvrstvu (obr. 60.1; kroužky - ionty, černé tečky - elektrony). Síly působící na elektron v takové vrstvě směřují do kovu.

Práce vykonaná proti těmto silám při přenosu elektronu z kovu směrem ven zvyšuje potenciální energii elektronu

Potenciální energie valenčních elektronů uvnitř kovu je tedy menší než vně kovu o hodnotu rovnající se hloubce potenciálové jámy (obr. 60.2). Ke změně energie dochází po délce řádově několika meziatomových vzdáleností, takže stěny studny lze považovat za vertikální.

Potenciální energie elektronu a potenciál bodu, ve kterém se elektron nachází, mají opačná znaménka. Z toho vyplývá, že potenciál uvnitř kovu je větší než potenciál v bezprostřední blízkosti jeho povrchu (pro stručnost řekneme jednoduše „na povrchu“) o množství

Přebytečný kladný náboj kovu zvyšuje potenciál jak na povrchu, tak uvnitř kovu. Potenciální energie elektronu se odpovídajícím způsobem snižuje (obr. 60.3, a).

Připomeňme, že jako referenční bod jsou brány hodnoty potenciálu a potenciální energie v nekonečnu. Zpráva o záporném náboji snižuje potenciál uvnitř i vně kovu. V souladu s tím se potenciální energie elektronu zvyšuje (obr. 60.3, b).

Celková energie elektronu v kovu se skládá z potenciální a kinetické energie. V § 51 bylo zjištěno, že při absolutní nule se hodnoty kinetické energie vodivostních elektronů pohybují od nuly do energie Emax shodující se s Fermiho hladinou. Na Obr. 60.4 jsou energetické hladiny vodivostního pásma vepsány do potenciálové jámy (tečkovaná čára ukazuje neobsazené hladiny). Aby byly odstraněny z kovu, musí být různým elektronům dány různé energie.

Elektronu nacházejícím se na nejnižší úrovni vodivostního pásma tedy musí být dána energie, pro elektron umístěný na Fermiho hladině stačí energie

Minimální energie, která musí být předána elektronu, aby jej přenesl z pevné látky nebo kapaliny do vakua, se nazývá pracovní funkce. Pracovní funkce se obvykle označuje kde Ф je veličina zvaná výstupní potenciál.

V souladu s výše uvedeným je pracovní funkce elektronu z kovu určena výrazem

Tento výraz jsme získali za předpokladu, že teplota kovu je 0 K. Při jiných teplotách je pracovní funkce také určena jako rozdíl mezi hloubkou potenciální studny a Fermiho hladinou, tj. definice (60.1) je rozšířena na libovolnou teplota. Stejná definice platí pro polovodiče.

Fermiho hladina závisí na teplotě (viz vzorec (52.10)). Navíc vlivem změny průměrných vzdáleností mezi atomy v důsledku tepelné roztažnosti se hloubka potenciálního vrtu mírně mění, což vede k tomu, že pracovní funkce je mírně závislá na teplotě.

Pracovní funkce je velmi citlivá na stav kovového povrchu, zejména na jeho čistotu. Výběrem správného povrchového nátěru může být pracovní funkce značně omezena. Například nanesením vrstvy oxidu kovu alkalických zemin (Ca, Sr, Ba) na povrch wolframu se sníží pracovní funkce ze 4,5 eV (pro čisté W) na 1,5-2.

FYZIKA

Zákon zachování náboje. Coulombův zákon. Dielektrická konstanta látky.

Zákon zachování elektrického náboje uvádí, že algebraický součet nábojů v elektricky uzavřeném systému je zachován.

Zákon zachování náboje v integrálním tvaru:

Zde je Ω nějaká libovolná oblast v trojrozměrném prostoru, je to hranice této oblasti, ρ je hustota náboje a je hustota proudu (hustota toku elektrického náboje) přes hranici.

Zákon zachování náboje v diferenciálním tvaru:

Zákon zachování náboje v elektronice:

Kirchhoffova pravidla pro proudy vyplývají přímo ze zákona zachování náboje. Kombinace vodičů a radioelektronických komponent je prezentována jako otevřený systém. Celkový příliv poplatků do daného systému se rovná celkovému výstupu poplatků ze systému. Kirchhoffova pravidla předpokládají, že elektronický systém nemůže výrazně změnit svůj celkový náboj.

Coulombův zákon. Modul síly interakce mezi dvěma bodovými náboji ve vakuu je přímo úměrný součinu modulů těchto nábojů a nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. kde je síla, kterou náboj 1 působí na náboj 2; q1,q2 - velikost nábojů; - vektor poloměru (vektor nasměrovaný od náboje 1 k náboji 2 a rovný, v absolutní hodnotě, vzdálenosti mezi náboji - r12); k - koeficient proporcionality. Zákon tedy naznačuje, že podobné náboje se odpuzují (a na rozdíl od nábojů se přitahují).

Dielektrická konstanta látky. Fyzikální veličina rovnající se poměru modulu síly vnějšího elektrického pole ve vakuu k modulu celkové intenzity pole v homogenním dielektriku se nazývá dielektrická konstanta látky.

Elektrické pole. Síla elektrického pole. Metoda superpozice elektrického pole.

Elektrické pole - jedna ze složek elektromagnetického pole; zvláštní druh hmoty, která existuje kolem těles nebo částic s elektrickým nábojem, stejně jako ve volné formě, když se mění magnetické pole (například v elektromagnetických vlnách). Elektrické pole je přímo neviditelné, ale lze jej pozorovat díky jeho silnému působení na nabitá tělesa.

Síla elektrického pole - vektorová fyzikální veličina, která charakterizuje elektrické pole v daném bodě a je číselně rovna poměru síly působící na zkušební náboj umístěný v daném bodě pole k hodnotě tohoto náboje q: .

Metoda superpozice elektrického pole. Pokud pole není tvořeno jedním nábojem, ale několika, pak se síly působící na zkušební náboj sčítají podle pravidla vektorového sčítání. Síla soustavy nábojů v daném bodě, pole, je tedy rovna vektorovému součtu sil polí z každého náboje zvlášť.

Vektorový tok síly elektrického pole. Elektrické předpětí. Ostrogradského-Gaussova věta.

síla elektrického pole na daném povrchu

součet průtoků všemi oblastmi, na které je povrch rozdělen

Elektrické předpětí. Vzhledem k různé polarizovatelnosti nepodobných dielektrik budou intenzity pole v nich různé. Proto je také počet silových vedení v každém dielektriku odlišný.

Některé z čar vycházejících z nábojů obklopených uzavřeným povrchem skončí na dielektrickém rozhraní a neproniknou tímto povrchem. Tuto potíž lze odstranit zavedením nové fyzikální charakteristiky pole - vektoru elektrického posunutí.

Vektor je nasměrován stejným směrem jako. Koncept vektorových čar a toku posunutí je podobný konceptu siločar a toku napětí dN0= DdScos(α)

Ostrogradského formule - vzorec, který vyjadřuje tok vektorového pole uzavřeným povrchem integrálem divergence (jak dalece se liší příchozí a odcházející tok) tohoto pole přes objem omezený touto plochou: to znamená, že integrál divergence vektorového pole rozšířeného přes určitý objem T se rovná toku vektoru povrchem S ohraničujícím tento objem.

Aplikace Gaussovy věty na výpočet některých elektrických polí ve vakuu.

a) Pole nekonečně dlouhého vlákna

modul intenzity pole vytvořený rovnoměrně nabitým nekonečně dlouhým závitem ve vzdálenosti R od něj,

b) pole rovnoměrně nabité nekonečné roviny

Nechť σ je hustota povrchového náboje v rovině

c) pole dvou rovnoměrně nabitých protilehlých rovin

d) pole rovnoměrně nabité kulové plochy

Potenciál elektrického pole. Potenciální povaha elektrických polí.

Elektrostatický potenciál (viz také Coulombův potenciál) - skalární energie charakteristická pro elektrostatické pole, charakterizující potenciální energii pole, kterou má jednotkový náboj umístěný v daném bodě pole. Elektrostatický potenciál je roven poměru potenciální energie interakce náboje s polem k velikosti tohoto náboje: J/C

Potenciální povaha elektrických polí.

Interakce mezi stacionárními náboji se provádí prostřednictvím elektrostatického pole: nejsou to náboje, které interagují, ale jeden náboj v jeho umístění interaguje s polem vytvořeným jiným nábojem. To je myšlenka akce krátkého dosahu – myšlenka přenosu interakcí skrz materiální prostředí, přes pole.

Práce na pohybu náboje v elektrickém poli. Potenciální rozdíl.

Fyzikální veličina rovnající se poměru potenciální energie elektrického náboje v elektrostatickém poli k velikosti tohoto náboje se nazývá potenciál

Když se zkušební náboj q pohybuje v elektrickém poli, elektrické síly působí práce . Tato práce pro malé posunutí se rovná

Síla elektrického pole jako potenciálový gradient. Ekvipotenciální plochy.

Potenciální gradient rovna potenciálnímu přírůstku na jednotku délky a ve směru, ve kterém má tento přírůstek největší hodnotu.

Ekvipotenciální plocha je povrch, na kterém skalární potenciál daného potenciálního pole nabývá konstantní hodnoty. Další, ekvivalentní, definicí je povrch, který je v libovolném bodě ortogonální k siločarám.

Dipól v elektrickém poli. Elektrický dipólový moment.

jednotné pole

Celkový točivý moment bude roven

nehomogenní vnější pole

a zde vzniká krouticí moment, který otáčí dipól podél pole (obr. 4). Ale v tomto případě na náboje působí síly nestejné velikosti, jejichž výslednice je nenulová. Proto se dipól bude pohybovat také translačně a bude vtažen do oblasti silnějšího pole

Elektrický dipólový moment

Druhy dielektrik. Polarizace dielektrik.

Nepolární dielektrikum- látka obsahující molekuly s převážně kovalentními vazbami.

Polární dielektrikum- látka obsahující dipólové molekuly nebo skupiny nebo mající ve své struktuře ionty.

Feroelektrické- látka obsahující oblasti se spontánní polarizací.

Polarizace dielektrik - posunutí kladných a záporných elektrických nábojů v dielektriku v opačných směrech.

Elektrické pole v dielektriku. Polarizační vektor. Rovnice pole v dielektriku.

V dielektriku přítomnost elektrické pole nezasahuje do bilance poplatků. Síla působící na náboje v dielektriku z elektrického pole je vyvážena intramolekulárními silami, které drží náboje v molekule dielektrika, takže rovnováha náboje je možná v dielektriku, navzdory přítomnosti elektrického pole.

Vektor elektrické polarizace je dipólový moment na jednotku objemu dielektrika.

Rovnice pole v dielektriku

kde r je hustota všech elektrických nábojů

Dielektrická citlivost látky. Jeho vztah k dielektrické konstantě média.

Dielektrická citlivost látky - fyzikální veličina, míra schopnosti látky polarizovat se pod vlivem elektrického pole. Dielektrická susceptibilita χe je lineární vazební koeficient mezi polarizací dielektrika P a vnějším elektrickým polem E v dostatečně malých polích: V soustavě SI: kde ε0 je elektrická konstanta; součin ε0χe se v soustavě SI nazývá absolutní dielektrická susceptibilita.

Feroelektrika. Jejich vlastnosti. Piezo efekt.

feroelektrika, krystalická dielektrika, která mají v určitém teplotním rozmezí spontánní (spontánní) polarizaci, která se vlivem vnějších vlivů výrazně mění.

Piezoelektrický jev - vliv polarizace dielektrika pod vlivem mechanického namáhání

Vodiče v elektrickém poli. Rozložení nábojů ve vodiči.

Ε = Evn. - Evn. = 0

Zaveďme do elektrického pole desku vodiče, nazvěme toto pole vnější .

Výsledkem je, že levý povrch bude mít záporný náboj a pravý povrch bude mít kladný náboj. Mezi těmito náboji vznikne vlastní elektrické pole, které budeme nazývat vnitřní. Uvnitř desky budou současně dvě elektrická pole - vnější a vnitřní, opačného směru.

Elektrická kapacita vodičů. Kondenzátor. Zapojení kondenzátorů.

Elektrická kapacita - fyzikální veličina, která se číselně rovná množství náboje, který je nutné předat danému vodiči, aby se jeho potenciál zvýšil o jedničku.

Kondenzátor - zařízení pro akumulaci náboje a energie elektrického pole.

paralelně zapojený

série připojena

Energie nabitého vodiče, kondenzátor. Energie elektrického pole. Objemová hustota energie elektrického pole.

Energie nabitého vodiče rovná práci, kterou je třeba vykonat k nabití tohoto vodiče:

Energie nabitého kondenzátoru

Energie elektrostatického pole

Objemová hustota energie elektrostatického pole

16. Síla a hustota elektrického pole. EMF. Napětí.

Síla proudu - skalární fyzikální veličina určená poměrem náboje Δq procházejícího průřezem vodiče za určitý časový úsek Δt k tomuto časovému úseku.

proudová hustota j je vektorová fyzikální veličina, jejíž modul je určen poměrem proudu I ve vodiči k ploše průřezu S vodiče.

Elektromotorická síla (EMF) - fyzikální veličina charakterizující práci cizích (nepotenciálních) sil ve zdrojích stejnosměrného nebo střídavého proudu. V uzavřeném vodivém obvodu se EMF rovná práci těchto sil při pohybu jediného kladného náboje podél obvodu.

Elektrické napětí - fyzikální veličina, jejíž hodnota se rovná poměru práce elektrického pole vykonaného při přenosu zkušebního elektrického náboje z bodu A do bodu B k hodnotě zkušebního náboje.

17. Ohmův zákon pro homogenní úsek řetězce. Ohmův zákon pro nehomogenní oblast v integrálním tvaru. Ohmův zákon pro úplný obvod.

proudová síla I v homogenním kovovém vodiči je přímo úměrná napětí U na koncích tohoto vodiče a nepřímo úměrná odporu R tohoto vodiče

Ohmův zákon pro nehomogenní úsek obvodu v integrálním tvaru IR = (01 - 02) + E12

Ohmův zákon pro úplný obvod :

18. Diferenciální forma Ohmova zákona.

j-proudová hustota, σ - měrná elektrická vodivost látky, ze které je vodič vyroben Est-pole vnějších sil

19. Joule-Lenzův zákon v integrálních a diferenciálních formách.

v diferenciální formě:

tepelná hustota výkonu -

v integrální podobě:

20. Nelineární prvky. Výpočtové metody s nelineárními prvky. Kirchhoffovo pravidlo.

nelineární se nazývají elektrické obvody, ve kterých spolu reakce a efekty nelineárně souvisí.

Jednoduchá iterační metoda

1. Původní nelineární rovnice elektrického obvodu, kde je požadovaná proměnná, je uvedena ve tvaru .

2. Výpočet se provádí podle algoritmu Kde

Krok iterace. Lineární závislosti

Zde je specifikovaná chyba

Kirchhoffovo první pravidlo:

algebraický součet proudových sil konvergujících v uzlu je roven nule

Druhé Kirchhoffovo pravidlo:

v jakémkoli jednoduchém uzavřeném obvodu, libovolně zvoleném v rozvětveném elektrickém obvodu, je algebraický součet součinů proudových sil a odporů odpovídajících úseků roven algebraickému součtu emf přítomných v obvodu

21. Proud ve vakuu. Emisní jevy a jejich technické aplikace.

Vakuum je stav plynu v nádobě, ve kterém molekuly létají z jedné stěny nádoby na druhou, aniž by se kdy vzájemně srazily.

Vakuový izolátor, proud v něm může vzniknout pouze umělým zaváděním nabitých částic, k tomuto účelu se využívá emise (emise) elektronů látkami. K emisi termionů dochází ve vakuových trubicích s vyhřívanými katodami a k ​​emisi fotoelektronů dochází ve fotodiodě.

Termionická emise je emise elektronů zahřátými kovy. Koncentrace volných elektronů v kovech je poměrně vysoká, proto i při průměrných teplotách mají některé elektrony v důsledku rozložení rychlostí elektronů (energií) dostatečnou energii k překonání potenciálové bariéry na hranici kovu. S rostoucí teplotou roste počet elektronů, jejichž kinetická energie tepelného pohybu je větší než pracovní funkce, a je patrný jev termionické emise.

Fenomén termionické emise se využívá v zařízeních, ve kterých je potřeba získat tok elektronů ve vakuu, například ve vakuových trubicích, rentgenkách, elektronových mikroskopech apod. Elektronky jsou široce používány v elektrotechnice a radiotechnice , automatizace a telemechanika pro usměrňování střídavých proudů, zesilování elektrických signálů a střídavých proudů, generování elektromagnetických kmitů atd. V závislosti na účelu jsou ve svítidlech použity přídavné řídicí elektrody.

Fotoelektronová emise je emise elektronů z kovu pod vlivem světla a také krátkovlnného elektromagnetického záření (například rentgenového záření). Hlavní principy tohoto jevu budou diskutovány při zvažování fotoelektrického jevu.

Emise sekundárních elektronů - je emise elektronů z povrchu kovů, polovodičů nebo dielektrik při bombardování svazkem elektronů. Tok sekundárních elektronů se skládá z elektronů odražených od povrchu (elasticky a neelasticky odražené elektrony) a „pravých“ sekundárních elektronů – elektronů vyražených z kovu, polovodiče nebo dielektrika primárními elektrony.

Fenomén emise sekundárních elektronů se využívá ve fotonásobičích.

Emise vozidla je emise elektronů z povrchu kovů pod vlivem silného vnějšího elektrického pole. Tyto jevy lze pozorovat ve vakuové trubici.

22. Proud v plynech. Nezávislá a nesamostatná vodivost plynů. CVC proudu v plynech. Druhy výbojů a jejich technické aplikace.

Za normálních podmínek jsou plyny dielektriky, protože sestávají z neutrálních atomů a molekul a nemají dostatečný počet volných nábojů. Aby byl plyn vodivý, musíte do něj tak či onak zavést nebo vytvořit volné nosiče náboje - nabité částice. V tomto případě jsou možné dva případy: buď tyto nabité částice vznikají působením nějakého vnějšího faktoru nebo jsou do plynu zavedeny zvenčí, nebo se v plynu vytvářejí působením samotného elektrického pole existujícího mezi elektrodami. . V prvním případě se vodivost plynu nazývá nesamostatná, ve druhém - nezávislá.

Proudově napěťová charakteristika (voltampérová charakteristika ) - graf závislosti proudu dvousvorkovou sítí na napětí na této dvousvorkové síti. Charakteristika proud-napětí popisuje chování dvousvorkového obvodu při stejnosměrném proudu.

Doutnavý výboj pozorováno při nízkém tlaku plynu. Používá se pro katodové naprašování kovů.

Výboj jiskry často pozorovaný v přírodě je blesk. Princip činnosti jiskrového voltmetru je zařízení pro měření velmi vysokých napětí.

Obloukový výboj lze pozorovat za následujících podmínek: pokud se po zapálení jiskrového výboje postupně snižuje odpor obvodu, pak se síla proudu v jiskře zvýší. Elektrický oblouk je výkonný světelný zdroj a je široce používán v projekčních, reflektorových a jiných osvětlovacích instalacích. Díky své vysoké teplotě je oblouk široce používán pro svařování a řezání kovů. Vysoké teploty oblouku se využívají také při stavbě elektrických obloukových pecí, které hrají důležitou roli v moderní elektrometalurgii.

Koronový výboj pozorované při relativně vysokých tlacích plynu (například při atmosférickém tlaku) v ostře nehomogenním elektrickém poli. Používá se v technologii pro instalaci elektrických odlučovačů určených k čištění průmyslových plynů od pevných a kapalných nečistot.

23. Magnetické pole. Magnetická indukce. Magnetická interakce proudů.

Magnetické pole - silové pole působící na pohybující se elektrické náboje a na tělesa s magnetickým momentem, bez ohledu na stav jejich pohybu, magnetická složka elektromagnetického pole.

Magnetická indukce - vektorová veličina, která je silovou charakteristikou magnetického pole (jeho působení na nabité částice) v daném bodě prostoru. Určuje sílu, kterou magnetické pole působí na náboj pohybující se rychlostí.

Interakce proudů je způsobeno jejich magnetickými poli: magnetické pole jednoho proudu působí jako ampérová síla na jiný proud a naopak.

24. Magnetický moment kruhového proudu. Amperův zákon.

Magnetický moment kruhového proudu síla proudu I tekoucího podél cívky, plocha S protékající proudem a orientace cívky v prostoru, určená směrem jednotkového vektoru kolmého k rovině cívky.

Amperův zákon zákon mechanické (ponderomotorické) interakce dvou proudů tekoucích v malých úsecích vodičů umístěných v určité vzdálenosti od sebe.

25. Biot-Savart-Laplaceův zákon a jeho aplikace na výpočet určitých magnetických polí:

A) magnetické pole přímého vodiče s proudem.

B) kruhové proudové pole ve středu kruhového proudu.

Biot-Savart-Laplaceův zákon pro vodič s proudem I, jehož prvek dl vytváří v některém bodě A indukci pole dB, se zapisuje ve tvaru kde dl je vektor rovný modulu délky dl prvku vodiče a shodující se ve směru s proudem, r je vektor poloměru procházející z prvku vodiče dl do bodu A pole, r je modul vektoru poloměru r.

magnetická indukce dopředného proudového pole

indukce magnetického pole ve středu kruhového vodiče s proudem

26. Cirkulace magnetické indukce. Vířivý charakter magnetického proudu. Zákon celkového proudu ve vakuu (věta o cirkulaci indukčního vektoru).

Magnetická indukční cirkulace kde dl je vektor elementární délky vrstevnice, která směřuje podél obchvatu obvodu, Bl=Bcosα je složka vektoru B ve směru tečny k vrstevnici (s přihlédnutím k volbě směru obchvatu obvodu ), α je úhel mezi vektory B a dl.

Vírový charakter magnetického pole.

Magnetické indukční čáry jsou spojité: nemají začátek ani konec. K tomu dochází u každého magnetického pole způsobeného jakýmikoli obvody s proudem. Vektorová pole se souvislými čarami se nazývají vírová pole. Vidíme, že magnetické pole je vírové pole. To je podstatný rozdíl mezi magnetickým polem a elektrostatickým polem.

Zákon celkového proudu pro magnetické pole ve vakuu (teorém o cirkulaci vektoru B): cirkulace vektoru B po libovolném uzavřeném obvodu je rovna součinu magnetické konstanty μ0 algebraickým součtem pokrytých proudů. tímto okruhem:

27. Aplikace zákona totálního proudu pro výpočet magnetického pole solenoidu.

Prstencový magnetický obvod

1 a shodují se, proto α = 0;

2 je hodnota Hx stejná ve všech bodech obrysu;

3 je součet proudů procházejících obvodem roven IW.

[Dopoledne],

kde Lx je délka obrysu, podél kterého byla integrace provedena;

rx – poloměr kruhu.

Vektor uvnitř prstence závisí na vzdálenosti rх. Pokud α je šířka prstence

Hav = IW / L,

kde L je délka průměrné magnetické čáry.

28. Magnetický tok. Gaussova věta o toku vektoru magnetické indukce.

Magnetický tok - tok jako integrál vektoru magnetické indukce konečnou plochou. Určeno pomocí plošného integrálu

V souladu s Gaussovou větou pro magnetickou indukci je tok vektoru magnetické indukce přes jakýkoli uzavřený povrch nulový:

29. Práce na pohybu vodiče a obvodu proudem v magnetickém poli.

práce na pohybu uzavřené smyčky proudem v magnetickém poli se rovná součinu proudu v obvodu a změny magnetického toku připojeného k obvodu.

30. Lorentzova síla. Pohyb nabitých částic v magnetickém poli. Urychlovače nabitých částic v magnetickém poli.

Lorentzova síla - síla, kterou elektromagnetické pole působí na bodově nabitou částici. v-rychlost částice

. Pohyb nabitých částic v magnetickém poli

Základ činnosti urychlovače zahrnuje interakci nabitých částic s elektrickými a magnetickými poli. Elektrické pole může přímo působit na částici, to znamená zvýšit její energii. Magnetické pole, vytvářející Lorentzovu sílu, pouze vychyluje částici, aniž by změnilo její energii, a nastavuje dráhu, po které se částice pohybují.

31. Jev elektromagnetické indukce. Faradayův zákon. Lenzovo pravidlo.

Elektromagnetická indukce - jev výskytu elektrického proudu v uzavřeném obvodu při změně magnetického toku jím procházejícího.

Faradayův zákon

Lenzovo pravidlo , pravidlo pro určení směru indukčního proudu: Indukční proud vznikající relativním pohybem vodivého obvodu a zdroje magnetického pole má vždy takový směr, aby jeho vlastní magnetický tok kompenzoval změny vnějšího magnetického toku, které způsobil tento proud.

32. Indukční emf. Zákon elektromagnetické indukce.

Elektromotorická síla (EMF) je fyzikální veličina, která charakterizuje práci vnějších (nepotenciálních) sil ve zdrojích stejnosměrného nebo střídavého proudu. V uzavřeném vodivém obvodu se EMF rovná práci těchto sil při pohybu jediného kladného náboje podél obvodu.

EMF lze vyjádřit pomocí síly elektrického pole vnějších sil (Eex). V uzavřené smyčce (L) se pak EMF bude rovnat: , kde dl je prvek délky obrysu.

Zákon elektromagnetické indukce E-mailem proud v obvodu je možný, pokud vnější síly působí na volné náboje vodiče. Práce, kterou tyto síly vykonají při pohybu jednoho kladného náboje podél uzavřené smyčky, se nazývá emf. Při změně magnetického toku povrchem ohraničeným obrysem se v obvodu objevují vnější síly, jejichž působení je charakterizováno indukovaným emf.

33. Samoindukce. Indukčnost.

Samoindukce - buzení elektromotorické síly indukce (emf) v elektrickém obvodu při změně elektrického proudu v tomto obvodu; speciální případ elektromagnetické indukce. Elektromotorická síla samoindukce je přímo úměrná rychlosti změny proudu

Indukčnost (z lat. induktio - vedení, motivace), fyzikální veličina charakterizující magnetické vlastnosti elektrického obvodu. Proud tekoucí vodivým obvodem vytváří v okolním prostoru magnetické pole a magnetický tok Ф pronikající obvodem (s ním spojený) je přímo úměrný síle proudu I:

34. Fenomén vzájemné indukce. Vzájemný indukční koeficient.

Fenomén vzájemné indukce nazývá se indukce EMF v jednom okruhu, když se proud mění v jiném.

Ф21 = M21I1 Součinitel M21 se nazývá vzájemná indukčnost druhý okruh v závislosti na prvním.

35. Energie magnetického pole. Hustota energie magnetického pole.

Energie magnetického pole

Hustota energie magnetického pole (H-magnetická síla pole).

36. Magnetické vlastnosti látek. Magnetizace hmoty. Gaussova věta pro indukci magnetického pole.

Podle magnetické vlastnosti všechny látky lze rozdělit do tří tříd:

látky s výraznými magnetickými vlastnostmi - feromagnetické; jejich magnetické pole je patrné na značné vzdálenosti

paramagnetické; jejich magnetické vlastnosti jsou obecně podobné vlastnostem feromagnetických materiálů, ale mnohem slabší

diamagnetické látky - jsou odpuzovány elektromagnetem, tzn. síla působící na diamagnetické materiály směřuje opačně než síla působící na fero- a paramagnetické materiály.

magnetizace hmoty

Gaussova věta pro magnetickou indukci

Tok vektoru magnetické indukce jakýmkoli uzavřeným povrchem je nulový:

nebo v diferenciální formě:

To je ekvivalentní skutečnosti, že v přírodě neexistují žádné „magnetické náboje“ (monopoly), které by vytvářely magnetické pole, stejně jako elektrické náboje vytvářejí elektrické pole. Jinými slovy, Gaussův teorém pro magnetickou indukci ukazuje, že magnetické pole je (plně) vírové.

37. Síla magnetického pole. Věta o cirkulaci vektoru síly magnetického pole.

Síla magnetického pole - (standardní označení H) je vektorová fyzikální veličina rovna rozdílu mezi vektorem magnetické indukce B a vektorem magnetizace M.

, kde μ0 je magnetická konstanta

Věta o cirkulaci vektoru síly magnetického pole:

Cirkulace magnetického pole stejnosměrných proudů podél libovolného uzavřeného okruhu je úměrná součtu sil proudu pronikajícího do cirkulačního okruhu.

38. Zákon celkového proudu ve hmotě.

celkový současný zákon : Cirkulace vektoru intenzity magnetického pole podél libovolného uzavřeného obvodu L se rovná algebraickému součtu makroproudů pokrytých obvodem.

39. Magnetická susceptibilita a magnetická permeabilita látek.

Magnetická permeabilita je fyzikální veličina, která charakterizuje vztah mezi magnetickou indukcí B a silou magnetického pole H v látce.

40. Dia-, para- a feromagnetika.

CM. №36

41. Elektromagnetické kmity v oscilačním obvodu. Thomsonův vzorec.

Rezonanční frekvence obvodu je určena tzv. Thomsonovým vzorcem

Thomsonův vzorec

42. Maxwellova rovnice v integrálním tvaru.

Pomocí Ostrogradského-Gaussových a Stokesových vzorců lze Maxwellovým diferenciálním rovnicím dát formu integrálních rovnic:

Gaussův zákon

Gaussův zákon pro magnetické pole

Faradayův indukční zákon

Pracovní funkce

energie vynaložená na odstranění elektronu z pevné látky nebo kapaliny do vakua. Přechod elektronu z vakua do kondenzovaného prostředí je doprovázen uvolněním energie rovné R.v. V důsledku toho R. v. je míra spojení elektronu s kondenzovaným prostředím; Čím menší je RV, tím snadněji dochází k emisi elektronů. Proto například proudová hustota termionické emise (viz Thermionická emise) nebo emise pole (viz Tunelová emise) závisí exponenciálně na R.V.

R.v. nejvíce plně studován pro vodiče, zejména pro kovy (viz kovy). Záleží na krystalografické struktuře povrchu. Čím hustěji je křišťálový povrch „zabalen“, tím vyšší je R.V. φ. Například pro čistý wolfram φ = 4,3 ev pro hrany (116) a 5,35 ev pro tváře (110). U kovů odpovídá zvýšení (průměrované přes plochy) φ přibližně zvýšení ionizačního potenciálu. Nejmenší R.v. (2 ev) jsou charakteristické pro alkalické kovy (Cs, Rb, K) a největší (5,5 ev) - kovy skupiny Pt.

R.v. citlivé na vady povrchové struktury. Přítomnost vlastních neuspořádaných atomů na těsně sbalené ploše snižuje φ. φ závisí ještě ostřeji na povrchových nečistotách: elektronegativní nečistoty (kyslík, halogeny, kovy s φ , větší než φ substrátu) obvykle zvýšení φ a elektropozitivní - snížení. U většiny elektropozitivních nečistot (Cs na W, Tn na W, Ba na W) je pozorován pokles RV, který dosahuje při určité optimální koncentraci nečistot n minimální hodnota opt nižší než φ základního kovu; na n≈ 2n velkoobchod R.v. se blíží φ povlakového kovu a dále se nemění (viz. rýže. ). Velikost n opt odpovídá uspořádané vrstvě atomů nečistot konzistentní se strukturou substrátu, zpravidla se všemi volnými místy; a magnituda 2 n opt - hustá jednoatomová vrstva (je porušena koordinace se strukturou substrátu). T. o., R. v. alespoň u materiálů s kovovou elektrickou vodivostí je určena vlastnostmi jejich povrchu.

Elektronová teorie kovů považuje R. v. jako práce potřebná k odstranění elektronu z Fermiho hladiny do vakua. Moderní teorie nám zatím neumožňuje přesně vypočítat φ pro dané struktury a povrchy. Základní informace o hodnotách φ poskytuje experiment. K určení φ se používají emisní nebo kontaktní jevy (viz Rozdíl kontaktních potenciálů).

Znalost R.v. zásadní v konstrukci elektrovakuových zařízení (viz elektrovakuová zařízení), kde se používá emise elektronů nebo iontů, stejně jako v zařízeních, jako jsou termoiontové konvertory energie (viz Termionický konvertor).

lit.: Dobretsov L.N., Gomoyunova M.V., Emission Electronics, M., 1966; Zandberg E. Ya., Ionov N. I., Surface ionization, M., 1969.

V. N. Shredník.

Velká sovětská encyklopedie. - M.: Sovětská encyklopedie. 1969-1978 .

Podívejte se, co je „Work Work“ v jiných slovnících:

Rozdíl mezi minimální energií (obvykle měřenou v elektronvoltech), která musí být předána elektronu pro jeho „přímé“ odstranění z objemu pevné látky, a Fermiho energií. Zde „bezprostřednost“ znamená, že elektron... ... Wikipedie

Energie F musí být vynaložena na odstranění elektronu z pevné látky nebo kapaliny do vakua (do stavu s nulovou kinetickou energií). R.v. Ф=еj, kde j je potenciál R.V., e abs. elektrická hodnota elektronový náboj. R.v. rovna rozdílu...... Fyzická encyklopedie

pracovní funkce- elektron; pracovní funkce Práce odpovídající energetickému rozdílu mezi úrovní chemického potenciálu v těle a úrovní potenciálu v blízkosti povrchu těla mimo něj za nepřítomnosti elektrického pole... Polytechnický terminologický výkladový slovník

Práce nutná k odstranění elektronu z kondenzované látky do vakua. Měří se rozdílem mezi minimální energií elektronu ve vakuu a Fermiho energií elektronů uvnitř těla. Záleží na stavu povrchu...... Velký encyklopedický slovník

PRÁCE PRÁCE, energie vynaložená na odstranění elektronu z látky. Zohledněno ve FOTOELEKTRICKÉM EFEKTU a v TERMOELEKTRONICE... Vědeckotechnický encyklopedický slovník

pracovní funkce- Energie potřebná k transportu do nekonečna elektronu umístěného v jeho původní poloze na Fermiho hladině v daném materiálu. [GOST 13820 77] Témata: elektrovakuová zařízení... Technická příručka překladatele

pracovní funkce- energie vynaložená na odstranění elektronu z pevné látky nebo kapaliny do vakua. Přechod elektronu z vakua do kondenzovaného prostředí je doprovázen uvolněním energie rovnající se pracovní funkci; čím nižší je pracovní funkce, tím... ... Encyklopedický slovník hutnictví

pracovní funkce- Pracovní funkce Minimální energie (obvykle měřená v elektronvoltech), která musí být vynaložena na odstranění elektronu z objemu pevné látky. Elektron je odstraněn z pevné látky přes daný povrch a pohybuje se do... Výkladový anglicko-ruský slovník o nanotechnologiích. - M.

Práce nutná k odstranění elektronu z kondenzované látky do vakua. Měří se rozdílem mezi minimální energií elektronu ve vakuu a Fermiho energií elektronů uvnitř těla. Záleží na stavu povrchu...... encyklopedický slovník

pracovní funkce- išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. pracovní funkce vok.... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

pracovní funkce- išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. pracovní funkce; emisní práce; práce výjezdu vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, rus. pracovní funkce, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Uvažujme situaci: náboj q 0 vstupuje do elektrostatického pole. Toto elektrostatické pole vytváří i nějaké nabité těleso nebo soustava těles, ale to nás nezajímá. Na náboj q 0 působí z pole síla, která může konat práci a pohybovat tímto nábojem v poli.

Práce elektrostatického pole nezávisí na dráze. Práce, kterou pole vykoná, když se náboj pohybuje po uzavřené dráze, je nulová. Z tohoto důvodu se nazývají síly elektrostatického pole konzervativní, a pole samotné se nazývá potenciál.

Potenciál

Systém "náboj - elektrostatické pole" nebo "náboj - náboj" má potenciální energii, stejně jako systém "gravitační pole - tělo" má potenciální energii.

Fyzikální skalární veličina charakterizující energetický stav pole se nazývá potenciál daný bod v poli. Náboj q je umístěn v poli, má potenciální energii W. Potenciál je charakteristikou elektrostatického pole.

Vzpomeňme na potenciální energii v mechanice. Potenciální energie je nulová, když je tělo na zemi. A když je tělo zvednuto do určité výšky, říká se, že tělo má potenciální energii.

Pokud jde o potenciální energii v elektřině, neexistuje žádná nulová úroveň potenciální energie. Vybírá se náhodně. Potenciál je tedy relativní fyzikální veličina.

V mechanice mají tělesa tendenci zaujímat pozici s nejmenší potenciální energií. V elektřině má kladně nabité těleso pod vlivem sil pole tendenci pohybovat se z bodu s vyšším potenciálem do bodu s nižším potenciálem a záporně nabité těleso naopak.

Potenciální energie pole je práce vykonaná elektrostatickou silou při přesunu náboje z daného bodu v poli do bodu s nulovým potenciálem.

Uvažujme speciální případ, kdy je elektrostatické pole vytvořeno elektrickým nábojem Q. Ke studiu potenciálu takového pole není třeba do něj vkládat náboj q. Můžete vypočítat potenciál libovolného bodu v takovém poli, který se nachází ve vzdálenosti r od náboje Q.

Dielektrická konstanta prostředí má známou hodnotu (tabulkovou) a charakterizuje prostředí, ve kterém pole existuje. Pro vzduch se rovná jednotě.

Potenciální rozdíl

Práce, kterou pole vykoná při přesunu náboje z jednoho bodu do druhého, se nazývá potenciální rozdíl

Tento vzorec může být prezentován v jiné formě

Ekvipotenciální plocha (čára)- povrch se stejným potenciálem. Práce vykonaná pro pohyb náboje po ekvipotenciální ploše je nulová.

Napětí

Potenciální rozdíl se také nazývá elektrické napětí za předpokladu, že nepůsobí vnější síly nebo lze jejich účinek zanedbat.

Napětí mezi dvěma body v rovnoměrném elektrickém poli umístěném podél stejné linie intenzity se rovná součinu modulu vektoru intenzity pole a vzdálenosti mezi těmito body.

Proud v obvodu a energie nabité částice závisí na napětí.

Princip superpozice

Potenciál pole vytvořeného několika náboji se rovná algebraickému (s přihlédnutím ke znaménku potenciálu) součtu potenciálů polí každého pole zvlášť.

Při řešení problémů vzniká mnoho zmatků při určování znaménka potenciálu, potenciálního rozdílu a práce.

Obrázek ukazuje napínací čáry. Ve kterém bodě oboru je potenciál větší?

Správná odpověď je bod 1. Připomeňme si, že napínací čáry začínají na kladném náboji, což znamená, že kladný náboj je nalevo, takže bod zcela vlevo má maximální potenciál.

Pokud se studuje pole, které je tvořeno záporným nábojem, pak má potenciál pole v blízkosti náboje zápornou hodnotu, což lze snadno ověřit, pokud se do vzorce dosadí náboj se znaménkem mínus. Čím dále od záporného náboje, tím větší je potenciál pole.

Pokud se kladný náboj pohybuje podél napínacích čar, pak potenciálový rozdíl a práce jsou kladné. Pokud se záporný náboj pohybuje podél napínacích čar, pak potenciálový rozdíl má znaménko „+“ a práce má znaménko „-“.