Ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο

Τα ηλεκτρόνια είναι υποατομικά σωματίδια με αρνητικό φορτίο περίπου 1.602 × 10-19. Το φορτίο είναι ίσο σε μέγεθος με αυτό του θετικού φορτίου σε ένα πρωτόνιο αλλά έχει αντίθετο πρόσημο. Ένα ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο αισθάνεται μια απωστική ή ελκτική δύναμη. Όταν ένα θετικό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στο μέταλλο, θα δημιουργήσει μια ελκτική δύναμη στα ηλεκτρόνια. Ο λόγος είναι η έλξη μεταξύ των δύο αντίθετων φορτίων. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια θα διαφύγουν από το μέταλλο λόγω αυτής της ελκτικής δύναμης.

Με τον ίδιο τρόπο, όταν τα ηλεκτρόνια εκτίθενται σε φωτόνια, εκτινάσσονται από τη μεταλλική επιφάνεια. Λοιπόν, γιατί συμβαίνει αυτό; Ας συζητήσουμε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο λεπτομερώς για να μάθουμε την αιτία πίσω από αυτό το φαινόμενο. Επίσης, διαβάστε αυτό το ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο Σημειώσεις UPSC για περισσότερες σε βάθος πληροφορίες σχετικά με το θέμα.

Τι είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;

Το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Heinrich Rudolf Hertz το 1887. Σε αυτό το κβαντικό ηλεκτρονικό φαινόμενο, όταν το φως προσπίπτει σε μεταλλικές επιφάνειες, προκαλεί την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια μεταλλικών υλικών.

Τι είναι τα φωτόνια; Τα φωτόνια είναι τα μικρότερα σωματίδια φωτός που μπορούν να ταξιδέψουν στο διάστημα. Έχουν ενέργεια και ορμή. Έτσι, τα φωτοηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από το μέταλλο) αποσπώνται από ένα συγκεκριμένο μέταλλο λόγω των προσπίπτων φωτονίων. Έτσι, η διαδικασία είναι γνωστή ως φωτοεκπομπή. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε την όλη εξήγηση.

Σύμφωνα με τη θεωρία του, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ξεκινά όταν συνεχώς ελαφρά σωματίδια (φωτόνια) που υπερβαίνουν ένα όριο ενέργειας χτυπούν το μέταλλο. Είναι οι φορείς ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που μεταφέρονται σε διακριτά κβαντισμένα πακέτα. Αλλαγές συμβαίνουν στην κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων λόγω της μεταφοράς ενέργειας από τα σωματίδια φωτός (φωτόνια). Έτσι, συμβαίνει η εκτόξευση ηλεκτρονίων, αλλά εξαρτάται από τη συχνότητα των κυμάτων φωτός. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα των κυμάτων φωτός, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που μεταφέρει. Για παράδειγμα, το μπλε φως έχει μεγαλύτερη συχνότητα από το κόκκινο φως. Ως εκ τούτου, μεταφέρει περισσότερη ενέργεια για να ξεπεράσει τις ελκτικές δυνάμεις.

Ας το καταλάβουμε μέσω της εξίσωσης του Planck:

E =hv =hc/λ

Πού,

E =ενέργεια των φωτονίων

ν =συχνότητα

h =σταθερά Planck =6,63 × 10–34 Js

c =ταχύτητα φωτός =3,0×108 ms−1

λ =μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός

Νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Υπάρχουν συνολικά τέσσερις νόμοι του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Είναι οι εξής:

1. Για ένα φως ορισμένης συχνότητας, ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται είναι ευθέως ανάλογος με την ένταση του φωτός και το ρεύμα κορεσμού είναι ευθέως ανάλογο με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός.
2. Υπάρχει κάποια μέγιστη κινητική ενέργεια του φωτοηλεκτρικού που είναι ανεξάρτητη από την ένταση και ευθέως ανάλογη με τη συχνότητα του φωτός.
3. Για μια δεδομένη επιφάνεια, η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων συμβαίνει εάν η συχνότητα του φωτός είναι ίση με τη συχνότητα κατωφλίου. Η εκπομπή θα σταματήσει εάν η συχνότητα είναι χαμηλότερη από το όριο.
4. Ο χρόνος δεν υστερεί μεταξύ της πρόσπτωσης φωτός και της εκτόξευσης ηλεκτρονίων.

Κίνηση ηλεκτρονίου κάτω από ηλεκτρικό πεδίο

Ένα ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο κινείται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση όταν χρησιμοποιούνται δύο παράλληλες πλάκες με ομοιόμορφα ηλεκτρικά πεδία. Θα κινηθεί προς τη θετικά φορτισμένη πλάκα μέσω ηλεκτρονικών οπών και μακριά από την αρνητικά φορτισμένη πλάκα. Η κίνηση του ηλεκτρονίου συμβαίνει με σταθερή ταχύτητα και στη σωστή γωνία ως προς το πεδίο που παράγεται μεταξύ των πλακών. Επομένως, η τροχιά είναι η παραβολή.

Όμως, η κατεύθυνση είναι αντίθετη σε σύγκριση με το διάνυσμα ηλεκτρικού πεδίου. Έτσι, η δύναμη θα επιταχύνει το ηλεκτρόνιο, το οποίο μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα. Όσο περισσότερο επιταχύνονται, τόσο περισσότερο χάνουν ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας. Ως εκ τούτου, η κίνηση του ηλεκτρονίου κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο επιβραδύνεται καθώς μειώνεται η δυναμική ενέργεια του ηλεκτρονίου.

Υπάρχει η διαφορά στην ηλεκτρική δυναμική ενέργεια μεταξύ των πλακών και συμβολίζεται με V. Η ακόλουθη έκφραση δίνει το μέγεθος της δύναμης σε ένα ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο:

F =qE

Πού, 

F =δύναμη σε ηλεκτρόνιο

q =φορτίο ηλεκτρονίου

E =Ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ του

πιάτα

Επίσης, V =Ed

Πού, 

V =Δυνητική διαφορά μεταξύ των πλακών 

E =Ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ του

πιάτα

d =Απόσταση μεταξύ δύο πλακών

Επομένως, F =eV/d

Επομένως, μπορείτε τώρα να μάθετε τη δύναμη στο ηλεκτρόνιο κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο με τη βοήθεια αυτής της εξίσωσης. Μπορείτε να κατανοήσετε την κίνηση των ηλεκτρονίων με καλύτερο τρόπο μέσω ορισμένων ηλεκτρονίων κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο παραδείγματα.

Ας υποθέσουμε ότι ένα ηλεκτρόνιο φορτίου q σε μια τηλεόραση επιταχύνεται. Υπάρχει κάποια διαφορά δυναμικού V μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, η οποία τοποθετείται σε απόσταση d. Το δεδομένο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ της ανόδου και της καθόδου Ε. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της δύναμης σε ένα ηλεκτρόνιο σε αυτό το ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο.

Συμπέρασμα

Η εκμάθηση της έννοιας του ηλεκτρονίου κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε πώς λειτουργεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η κίνηση των ηλεκτρονίων κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο στη σύγχρονη φυσική. Ένας από τους καλύτερους τρόπους κατανόησης της έννοιας είναι μέσω των τεσσάρων νόμων του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και στη συνέχεια η εφαρμογή των εννοιών μέσω τύπων για την επίλυση προβλημάτων.