Поясните что такое ускоряющая разность потенциалов
Ускоряющее напряжение
Дата публикации: 19.05.2021 2021-05-19
Статья просмотрена: 123 раза
Библиографическое описание:
Анненков, К. В. Ускоряющее напряжение / К. В. Анненков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 21 (363). — С. 1-4. — URL: https://moluch.ru/archive/363/81228/ (дата обращения: 27.12.2021).
В статье автор рассматривает понятие ускоряющего напряжения, способы его получения и сферы применения.
Ключевые слова: ускоряющее напряжение, электронная микроскопия.
Ускоряющее напряжение — это разность потенциалов, определяющая энергию электронов в осветительной системе электронного микроскопа. [1]
Выражаясь другими словами, это напряжение для ускорения электронов, которые вылетают из электронной пушки и освещают образец. Или же это разность потенциалов между нитью накала (катодом) и анодом, которая ускоряет электронный луч по направлению к аноду.
Рис. 1. Схема электронной пушки
Чем выше ускоряющее напряжение, тем лучше пространственное разрешение электронного микроскопа.
Основной способ получения электронов — это термоэлектронная эмиссия с поверхности нагретого катода и последующее формирование пучка с помощью электромагнитных линз. Соответственно, основная часть источника электронов — катод, активная поверхность которого эмитирует электроны.
Источник представляет собой, фактически, катодную линзу, форма и положение электродов которой определяются методами электронной оптики. Электрическое поле в промежутке катод-анод ускоряет электроны, фокусирует их и через выходную диафрагму направляет в ускорительную камеру. Типичные значения ускоряющего напряжения составляют 10–100 кВ.
Другим распространённым способом являются умножители напряжения. Умножители напряжения — это схемы, предназначенные для бестрансформаторного увеличения уровня напряжения. Данные схемы совмещают в себе сразу две функции: само умножение напряжения и его выпрямление.
Применяется данная схема в тех случаях, когда наличие дополнительных повышающих трансформаторов нежелательно, или они не способны обеспечить требуемый уровень напряжения, так как при достаточно высоких уровнях напряжения высока вероятность пробоя между витками вторичной обмотки трансформатора. [2]
Основными элементами умножителя являются конденсатор и диод, что определяет принцип, лежащий в основе их работы — свойство однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. На рисунке 2 показана схема несимметричного удвоителя напряжения, которая представляет собой два соединенных однофазных выпрямителя.
Рис. 2. Схема несимметричного умножителя напряжения
В течение отрицательного полупериода конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения до амплитудного значения; в течение положительной полуволны к конденсатору C2 прикладывается суммарное напряжение источника питания и конденсатора C2, и за нескольких периодов он заряжается до удвоенного напряжения. Коэффициент умножения можно увеличивать, наращивая количество звеньев умножителя. При малых значениях n выходное напряжение растет почти пропорционально числу каскадов. Выходное напряжение несимметричного умножителя из n звеньев определяется из следующего выражения:
Где U вых — напряжение на выходе умножителя, [В];
U вхmax — амплитуда входного напряжения, [В];
n — количество звеньев умножителя;
f — частота входного напряжения, [Гц];
С — набранная емкость конденсаторов, [мкФ].
При увеличении рост замедляется и затем вообще прекращается. Предельное значение n для схемы симметричного умножителя можно найти по формуле:
Существует возможность ускорения частиц квазистатическим (мало меняющимся за время пролета частицы) электрическим полем. Для этого используется вихревое электрическое поле, возникающее при изменении во времени магнитного поля. Очевидно, что описываемая схема представляет собой трансформатор, у которого первичная обмотка — это обмотка возбуждения магнитного поля, а вторичная обмотка — пучок ускоряемых частиц.
Рис. 3. Схема трансформатора
Недостатком этой схемы является малая величина ускоряющего поля
Электронный микроскоп — это прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию пучка электронов с энергиями от 200 эВ, до 400 кэВ и более. [3]
Длина волны де Бройля электронов, ускоренных в электрическом поле c разностью потенциалов 1000 В, равна 0,4 Å, что намного меньше длины волны видимого света. Вследствие этого, разрешающая способность электронного микроскопа в более чем 10000 раз может превосходить разрешение традиционного оптического микроскопа. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи электромагнитного поля.
Виды и типичные напряжения электронной микроскопии
Просвечивающая электронная микроскопия
Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия
Технология электронно-лучевой сварки основана на преобразовании кинетической энергии, вырабатываемой при движении электронов в тепловую энергию, необходимую для плавления металлической кромки. Скорость электронного потока, а значит и величина кинетической энергии, напрямую зависит от приложенной разности потенциалов (напряжения), которая может достигать 100 кВ. Сфокусированный в небольшой пучок луч при касании поверхности материала обеспечивает сверхвысокую плотность мощности, в результате чего электроны могут проникать в металл на определенную глубину. Именно во время такого проникновения электрон отдает накопленную энергию, что приводит к нагреву и плавлению места контакта. [4]
Основными конструктивными элементами рентгеновской трубки являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом ). Катод при нагревании испускает электроны. Далее из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт) поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод. Достигая анода, электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя большую часть приобретённой энергии. При этом возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона. Типичные значения анодного напряжения в медицинских трубках для рентгенографии — 60–80 кВ. Для рентгенотерапии применяются трубки с анодным напряжением более 100 кВ для получения более жёсткого излучения. [5]
Разность потенциалов
Поскольку электрический ток является упорядоченным движением заряженных частиц, то для определения величины тока необходимо знать, как величину энергии частиц, так и силу стороннего воздействия на них.
Сущность понятия потенциальной разницы
Для изучения свойств заряженных частиц, помещенных в электростатическое поле, введено понятие потенциала. Оно означает отношение энергии заряда, помещенного в электростатическое поле, к его величине.
При переносе заряженной частицы в другую точку поля меняется его потенциальная энергия, а величина заряда остается неизменной. Для переноса требуется затратить некоторое количество энергии. Данная энергия по переносу единицы заряда получила название электрического напряжения. Соответственно, больший запас энергии будет ускорять перенос, то есть, чем больше напряжение, тем больше ток в цепи.
В данном случае разность потенциалов – это численное равенство напряжению между точками нахождения единичного заряда. Для общего случая здесь должна добавляться работа сторонних сил, которая называется электродвижущей силой (ЭДС). По своей сути, электричество – это работа стороннего источника (генератора) по поддержанию в электросхеме заданных уровней напряжения и тока.
Единица разности потенциалов
В честь ученого (Алессандро Вольта), впервые доказавшего существование разницы потенциалов, единица измерения названа Вольт. В международной системе единиц напряжение обозначается символами:
Кроме этого, существуют кратные обозначения:
Поток вектора магнитной индукции
Электростатическое поле характеризуется напряженностью, которая вместе с вектором электромагнитной индукции составляет электромагнитное поле.
Если заряженная частица движется в электромагнитном поле, то полную силу, которая воздействует на частицу, определяют по закону Лоренца:
Обратите внимание! В указанной формуле приведены векторные величины. Крестом обозначено векторное произведение.
Силу F воздействия на частицу принято называть силой Лоренца.
Данная формула является наиболее общей и может использоваться для вычисления при условии точечного заряда (в том числе единичного).
Теорема Гаусса для магнитного поля
Теорема Гаусса является одной из самых основных в электродинамике законов. Существуют теоремы Гаусса для электрического и магнитного полей, которые входят в состав уравнений Максвелла. При помощи данного закона устанавливается связь между напряженностью электрического поля и заряда в случае произвольной поверхности. Теорема (закон) Гаусса гласит, что в произвольной замкнутой поверхности поток вектора электрического поля пропорционален заряду, заключенному внутри поверхности. Для магнитного поля теорема Гаусса говорит о том, что поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.
Выражение для потенциала поля точечного заряда
Поскольку потенциал равен интегралу от напряженности поля, то можно подставить под знак интеграла выражение для напряженности поля единичного заряда. После интегрирования и преобразования выражение для поля точечного заряда принимает вид:
Приведенное выражение свидетельствует, что величина энергии растет пропорционально степени заряженности и падает пропорционально расстоянию.
Проводники в электростатическом поле
Размещение проводника в электростатическом поле приводит к тому, что поле начнет действовать на носители заряда внутри проводящего предмета. Носители начинают перемещаться до тех пор, пока электростатическое поле вне поверхности ни обратится в нуль.
Поскольку поле внутри вещества отсутствует, то во всех точках проводящего материала энергия будет постоянной, а поверхность эквипотенциальной. Векторы напряженности поля направлены под прямым углом в любой точке поверхности проводника.
Под действием поля заряды внутри проводника отсутствуют, поскольку они сосредоточены исключительно на поверхности. Этот факт используется при экранировке – защите тел от влияния внешних электромагнитных и электростатических полей. Для экранирования может использоваться не только сплошной проводящий материал, но и сетка, так называемая «клетка Фарадея».
Также свойство перемещения заряженных частиц (электронов) используется в электростатических генераторах для получения напряжения в несколько миллионов вольт.
Электроемкость уединенного проводника
Для связи величин заряда и напряжения введено понятие электрической емкости. Для уединенного проводника (такого, на который отсутствует влияние других заряженных тел) значение емкости – величина постоянная и равная отношению количества заряда к потенциалу. Другими словами, емкость показывает, какой заряд нужно сообщить проводнику, чтобы его потенциальная энергия увеличилась на единицу.
Электроемкость не зависит от степени заряженности. Роль играют только:
Так же, как и емкость электрического конденсатора, электроемкость проводника будет обозначаться в фарадах.
Обратите внимание! На практике электроемкость проводника составляет очень малую величину. Для увеличения значения, особенно при производстве конденсаторов, как элементов с нормированным значением емкости, разработаны особые технологии.
Падение потенциала вдоль проводника
На концах проводника, помещенного в электрическое поле, начинает наблюдаться разность потенциалов. Вследствие этого электроны начинают перемещаться в сторону увеличения разности. В проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны продвигаются вдоль проводника до тех пор, пока разница ни будет равна нулю. На практике для поддержания заданной величины тока цепи запитываются от источников напряжения или тока. Разница заключается в следующем:
Разница потенциалов (падение напряжения) пропорциональна расстоянию от концов проводника, то есть обладает линейной зависимостью.
Опыт Вольта
Первым доказал существование разности потенциалов Алессандро Вольта. Для опытов были взяты два диска, выполненных из меди и цинка и насаженных на стержень электроскопа. При соприкосновении меди и цинка листочки электроскопа расходятся, свидетельствуя о наличии электрического заряда.
На основании своих опытов ученый изготовил первый источник электрического напряжения – вольтов столб.
Измерение контактной разности потенциалов
Основная проблема заключатся в том, что контактная разность потенциалов не может быть измерена напрямую, вольтметром, хотя значение ЭДС в цепи с соединением двух различных проводников может составлять от долей до единиц вольт.
Контактная потенциальная разница существенно влияет на вольтамперную характеристику измеряемой цепи. Наглядным примером может служить полупроводниковый диод, где подобное явление возникает на границе соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости.
Разность потенциалов на практике
С общепринятой точки зрения, разность потенциалов – это напряжение между двумя выбранными точками цепи. В то же время напряжение между каждой из этих точек и третьей точкой будет отличаться в полном соответствии с определением.
Наглядный пример:
Необходимо найти напряжение между точками А и В.
В данном случае искомая разность составляет:
Рассматриваемые понятия важны для минимального объема знаний в области электротехники и электроники, поскольку на них основываются все расчеты и практические решения. Без этих азов невозможно более углубленное изучение электрических дисциплин.
Видео
Чтобы раз и навсегда избавиться от путаницы в терминах, давайте разберемся, в чем же заключаются различия между этими тремя понятиями. Для этого подробно рассмотрим каждое из них по отдельности.
Разность электрических потенциалов
На сегодняшний день физикам известно, что источниками электрических полей являются электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем тут же говорить и о разности электростатических потенциалов между двумя данными точками в текущий момент времени.
Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:
Практически такая характеристика как потенциал относится к одному электрическому заряду, который теоретически может быть неподвижно установлен в данную точку электростатического поля, и тогда величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению потенциальной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:
В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.
И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.
Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).
Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами. Для того, чтобы электрические заряды были неподвижны, на них не должны действовать силы в тех местах, где эти заряды могли бы двигаться. Но внутри проводников заряды могут свободно двигаться, поэтому при наличии электрического поля внутри проводников в них возникло бы движение зарядов (электрический ток).
Следовательно, заряды могут оставаться неподвижными только в том случае, если они создают такое поле, которое везде внутри проводников равно нулю, а на поверхности проводников направлено перпендикулярно к поверхности (т. к. иначе заряды двигались бы вдоль поверхности).
Для этого неподвижные заряды должны располагаться только по поверхности проводников и при том именно таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводников было равно нулю, а на поверхности перпендикулярно к ней.
Все сказанное относится к случаю неподвижных зарядов. В случае движения зарядов, т. е. наличия токов в проводниках, в них должно существовать электрическое поле (т. к. иначе не могли бы течь токи) и, следовательно, движущиеся заряды располагаются в проводниках, вообще говоря, не так, как неподвижные, и создают электрические поля, отличные по своей конфигурации от электростатического поля. Но по своим свойствам электростатическое поле ничем не отличается от электрического поля движущихся зарядов.
Электрическое напряжение U
Теперь рассмотрим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле или в электрической цепи. Электрическим напряжением называется скалярная физическая величина, численно равная работе эффективного электрического поля (включая и сторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.
Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит распределения зарядов, являющихся источниками эффективного электростатического поля. И напряжение в этом случае будет складываться из работы электрических сил и работы сторонних сил.
Если сторонние силы отсутствуют, то работу совершит лишь потенциальное электрическое поле, и в этом случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, то есть отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:
Однако в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:
Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:
Электродвижущая сила — ЭДС
ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу непосредственно действующих сторонних сил (любых сил за исключением электростатических) в цепях постоянного или переменного тока. В частности, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Здесь при необходимости вводят в рассмотрение электрическую напряженность сторонних сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд сторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.
ЭДС может быть получена различными способами, из которых можно назвать следующие:
при помощи источников ЭДС, использующих химические процессы (гальванические элементы, аккумуляторы — химические источники тока);
при помощи источников ЭДС, в которых используются свойства магнитного поля (электрические машины — генераторы);
при помощи источников ЭДС, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую (термоэлектрические преобразователи);
при помощи источников ЭДС, преобразующих энергию светового излучения в электрическую (фотоприемники, солнечные батареи).
Что такое разность потенциалов
Во многих случаях для того, чтобы правильно уяснить суть вопроса, касающегося электротехники, необходимо точно знать, что такое разность потенциалов.
Определение разности потенциалов
Общее понятие состоит в электрическом напряжении, образованном между двумя точками, и представляющем собой работу электрического поля, которую необходимо совершить для перемещения из одной точки в другую положительного единичного заряда.
Таким образом, в равномерном и бесконечном электрическом поле положительный заряд под воздействием этого поля будет перемещен на бесконечное расстояние в направлении, одинаковым с электрическим полем. Потенциал конкретной точки поля представляет собой работу, производимую электрическим полем при перемещении из этой точки положительного заряда в точку, удаленную бесконечно. При перемещении заряда в обратном направлении, внешними силами производится работа, направленная на преодоление электрической силы поля.
Разность потенциалов на практике
Разность потенциалов, существующая в двух различных точках поля, получила понятие напряжения, измеряемого в вольтах. В однородном электрическом поле очень хорошо просматривается зависимость между электрическим напряжением и напряженностью электрического поля.
Точки с одинаковым потенциалом, расположенные вокруг заряженной поверхности проводника, полностью зависят от формы этой поверхности. При этом разность потенциалов для отдельных точек, лежащих на одной и той же поверхности имеет нулевое значение. Такая поверхность проводника, где каждая точка обладает одинаковым потенциалом носит название эквипотенциальной поверхности.
Когда происходит приближение к заряженному телу, происходит быстрое увеличение потенциала, а расположение эквипотенциальных поверхностей становится более тесным относительно друг друга. При удалении от заряженных тел, расположение эквипотенциальных поверхностей становится более редким. Расположение электрических силовых линий всегда перпендикулярно с эквипотенциальной поверхностью в каждой точке.