İkiqat yarıqlı təcrübədə işığı təşkil edən elektronlar və fotonlar üzərində eksperimental müşahidələr aparılmışdır.[1] İşıq insan gözü ilə müşahidə edilə bilən və dalğa xüsusiyyətlərinə malik bir maddədir.[2] İşığın (fotonların) hərəkəti elektronların hərəkətini anlamaq üçün istifadə etdiyimiz elektromaqnit düsturları ilə izah edilə bilər. İkiqat yarıqlı təcrübə elektronların və işığın həm dalğa, həm də maddə olduğunu göstərən nəticələr verir (ikiqat yarıqlı təcrübəyə qədər maddənin dalğa xüsusiyyətləri nümayiş etdirmədiyi fərziyyəsi qəbul edilənə qədər). Bu təcrübənin nəticələrini və əldə etdiyimiz inkişafları başqa bir mənbədən araşdıra bilərsiniz. Burada bu təcrübədə qeyd olunan elektronların bir texnika ilə necə hərəkət etdirilə biləcəyinə və təcrübənin özündən kənarda mühəndislik və elmin kəsişməsi olan texnikaya baxacağıq.
Elektron, işıq kimi, həm dalğa, həm də maddə xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir.[3] Elektron maddə olduğundan, onun da kütləsi var (9.1066 x 10-31 kq). Müəyyən fundamental qanunlara tabe olduqları üçün elektronların davranışı əvvəlcədən proqnozlaşdırıla bilər. Əslində, Elektrik-Elektronika elminin bütün sahəsi insanın elektronların hərəkətini proqnozlaşdırmaq və idarə etmək qabiliyyətinə əsaslanır. Yuxarıda qeyd olunan təcrübədə izah etdiklərimə əlavə olaraq, ölçmə metodlarından asılı olaraq elektronun ya dalğa, ya da maddə ola biləcəyini qeyd etməliyəm. Qeyd etmək istərdim ki, elektrik mühəndisliyi sahəsindəki bütün tədqiqatlarda elektron maddənin kiçik bir hissəsi kimi davranır.
Bu məqamda elektrik adlandırdığımız fenomenin əsaslarını anlamaq çox vacibdir. Orta məktəb fizikasında öyrəndiyiniz kimi, atomun nüvəsi (proton) müsbət yüklü, onun ətrafında fırlanan elektronlar isə mənfi yüklüdür. Elektrostatik materiallar adlandırdığımız bəzi materiallar quruluşlarına görə daha çox elektron saxlamağa meyllidir və müsbət və ya mənfi yüklü hissəciklərin cazibə və itələmə mövqeləri sabitdir. Eyni yüklü hissəciklər bir-birini itələyir, fərqli yüklü hissəciklər isə bir-birini cəlb edir. Bu hissəcikləri müsbət və ya mənfi yüklü hissəciklər, müsbət yüklü (polyarlaşdırılmış) və ya mənfi yüklü adlandıra bilərik. Gəlin saçları daradıqdan sonra plastik darağın kağız parçasını cəzb etməsi fenomeninə daha yaxından nəzər salaq. Saçlarımızı daraqla daradığımız zaman, elektronlar elektron buraxmağa meylli olan saçdan elektronları qəbul etməyə meylli olan plastik darağa keçir və daraqda artıq elektron toplanır. İndi darağımız mənfi yüklüdür və saç, elektronlarının bir hissəsini darağa verərək, müsbət yüklüdür. Bu mənfi yüklü darağı kağıza yaxınlaşdırdıqda, kağız neytral yüklü olduğundan, yüklü daraqla qarşılıqlı təsir göstərir (elektromaqnit qarşılıqlı təsiri). Daraq və kağız, iki fərqli material olmaqla, əslində bir-birinə bərabər cazibə qüvvəsi yaradacaq. Lakin, kağız parçaları kiçik və bir-biri ilə əlaqəsizdirsə, elektromaqnit cazibə qüvvəsi (kifayət qədər yüklüdürsə) cazibə qüvvəsindən daha böyük olacaq və bu da kağızın uçub darağa yapışmasına səbəb olacaq. Bərabər mənfi və müsbət yüklərə malik (yəni neytral) kağızın mənfi yüklü daraqla qarşılıqlı təsiri, yuxarıda qeyd edildiyi kimi, oxşar qütblərin bir-birini itələmə prinsipinə əsaslanır. Daraq kağıza yaxınlaşdıqca, kağızda homojen paylanmış mənfi yüklər digər tərəfə keçir, müsbət yüklər isə darağa yaxın hissədə toplanır. Buna görə də, ümumilikdə neytral olan bir maddə yüklü bir maddə ilə qarşılıqlı təsir göstərə bilər.
Başqa cür başa düşüldüyü kimi, materiallar arasındakı yük fərqi elektronların bir nöqtədən digərinə keçməsi üçün tələb olunan QÜVVƏ yaradır. Biz bu fərqi potensial fərqi (gərginlik) də adlandırırıq. Keçirici materiallar nöqtələr arasında yerləşdirildikdə elektronların axması fenomeninə ELEKTRİK deyilir.
Əvvəla, elektrik dediyimiz şey elektronların hərəkətidir. Lakin, gəlin elektrik keçirən bir keçiricini nəzərdən keçirək; bu, keçiricinin əvvəlindəki atomdan ucundakı atoma elektronların əlavə edilməsi halı deyil. Burada dalğaya bənzər ötürmə var. Yəni, keçirici atom qonşu atomdan elektron alır və yanındakı atoma elektron verir. Meksika dalğasında olduğu kimi, insanlar stadionda gəzmirlər, amma kiminsə növbəsi çatanda ayağa qalxırlar və bu, onların növbəsidir. Bu fenomen elektrik cərəyanı adlanır.
Maksvellin elektrik sahələri nəzəriyyəsinə görə, elektronlar elektrik sahəsi olmadan hərəkət etmir. Elektrik sahələri və maqnit sahələri eyni hadisənin iki fərqli təzahürüdür. Buna görə də, elektrik sahələri maqnetizmdən, maqnit sahələri isə elektrik sahələrindən yarana bilər. Niyə bu əsas məlumatı verirəm? Çünki elektronların elektrik sahəsi daxilində hərəkət etdiyini öyrənməmişiksə, vakuum şüşəsində elektronları hərəkət etdirmək üçün elektrik sahələri yaratmağın təbiətini başa düşə bilmərik. Əlbəttə ki, elektrik sahəsi yaratmaq yeganə yol deyil. Elektron ötürülməsinə keçirici sahə yaratmaqla da nail olmaq olar.
Nizamsız (xaotik) elektron ötürülməsi:
Gətirə biləcəyim məşhur bir nümunə, şübhəsiz ki, flüoresan lampalardır. Onlar yuxarıda qeyd olunan keçirici sahələr prinsipinə uyğun olaraq işləyirlər və şəbəkədən çıxan elektronlar, gərginlikləri (potensial fərqi) artdıqda, keçirici qazda (civə buxarında) sərbəst hərəkət edirlər. Boşaldılmış şüşə borunun içərisindəki səth fosforla örtüldüyündən, sərbəst elektronlar bu fosforla toqquşur və parıltı (işıq) yaradır. Bundan əlavə, elektrik (və ya elektronlar) civə buxarından keçdikcə ultrabənövşəyi (UB) şüalar buraxılır və qaz ionlaşır. Elektrik cərəyanının ən az müqavimət yolunu seçəcəyini bildiyimiz üçün hərəkət edən elektronların harada toqquşacağını dəqiq bilmək mümkün deyil; elektronlar ən az müqavimət yolu boyunca təsadüfi toqquşmalar edəcəklər.
Bildiyiniz kimi, elektronlar üzərində aparmağı planlaşdırdığımız təcrübələrdə elektronun təsadüfi bir nöqtəyə gedəcəyini qəbul edə bilmərik. Keçirici sahələr yaratmaqla elektronları asanlıqla istiqamətləndirmək texniki cəhətdən mümkün olmasa da, səmərəlilik baxımından məqbul olmaya bilər. Bunun əvəzinə, vakuumlu şüşə boruda elektrik sahələri yaratmaqla daha dəqiq tədqiqatlar apara bilərik. Bu sahələrin dəyərlərini xarici mənbədən dərhal tənzimləyə bilərik və elektronu onun atomundan ayırıb sürətləndirə bilərik.
Elektron Sürətlənməsi və Mütəmadi Yüklənmiş Hissəciklər:
Şübhəsiz ki, insanların əksəriyyəti boru televizorları və ya kompüter monitorları görüb. Bu borular ümumiyyətlə CRT boruları adlanır. İçəridə işləyən məntiq, elektronun sürətləndirildiyi və təyinat yerinin elektrik və maqnit sahələrinin köməyi ilə dəqiq müəyyən edildiyi və nəticədə fosforla örtülmüş bir səthə (flüoresan ekran da adlanır) dəydiyi bir sıra proseslərə əsaslanır. Bunun üçün elektron silahı adlanan birləşmiş sürətləndirici istifadə olunur. Bəli, bu çox məşhur sürətləndiricilər əslində bir vaxtlar hər evdə olub.
Əsasən, elektronları birləşdirmək və onları borunun içərisindəki ekrana göndərmək üçün aşağı gərginlikdə (adətən təxminən 6-12 volt) işləyən bir filament var. Bu filament, sarı lampalar kimi tanınan səmərəsiz köhnə şüşə lampaların içərisində gördüyünüz spiral rezistor zolağı ilə tam eynidir. Burada istifadə etdiyimiz filament strukturu qızaraq elektronların yayılmasından məsuldur. Lakin, oxucunun diqqətindən yayınmamalıdır ki, bu prinsip, flüoresan lampada olduğu kimi, gərginliyi dəfələrlə artırmaqla tətbiq olunur. Buna görə də, həmin bölgədən buraxdığımız səpələnmiş elektronları götürüb planlaşdırılmış bir yol boyunca hərəkət etdirmək üçün filamentin ətrafına bir katod lövhəsi (mənfi uc adlandırıla bilər) birləşdirilir və sonra katoddan bir məsafədə yerləşən anod adlanan bir nöqtəyə (müsbət uc adlandırıla bilər) nisbətən daha yüksək gərginlik tətbiq olunur. Bunu etməyin arxasındakı məntiq həm elektronların hərəkəti üçün elektrik sahəsi yaratmaq, həm də katoddan anoda hamar və sürətli bir elektron şüası əldə etməkdir. Buna görə də, CRT borularının türkcə qısaltması: katod şüa borularıdır. Standart rəngli CRT ekranlarında istifadə olunan elektron topu yuxarıdakı şəkildə göstərilmişdir.
Fizikanın fundamental qanunlarından biri, bir cismə təsir edən qüvvənin həmin cismin zamanla impulsunun dəyişmə sürətinə bərabər olduğunu bildirir. Elektronun kiçik yüklü hissəcik olduğunu fərz etsək, aşağıdakıları yaza bilərəm:[4]
F: qüvvə, Nyuton
m: Kütlə, kq
v: sürət, s
Elektrik sahəsində yüklü cisimə təsir edən elektrostatik qüvvənin tənliyi belədir:
Burada Q cisimdəki yük miqdarıdır (kulon) və yükün yerləşdiyi yerdəki elektrik sahəsinin gücüdür (volt/m).
Elektron həm elektrostatik qüvvə, həm də cazibə qüvvəsi ilə təsirlənir (mətnin əvvəlində qeyd etdiyim kimi, elektronun kütləsi var). Lakin, elektrostatik qüvvə ümumiyyətlə cazibə qüvvəsindən böyük olduğundan, hesablamalara cazibə faktorunu daxil etməyəcəyəm.
Elektrik sahəsində hərəkət edən elektron eyni zamanda potensial enerjisini itirərkən kinetik enerji qazanır. Enerjinin qorunması qanununa görə, qazanılan kinetik enerji itirilən potensial enerjiyə bərabərdir.
S: yüklənmiş cismin yük miqdarı, Kulom
v: gərginlik V ilə hərəkət etdikdən sonra sürət, m/s
V: yüklənmiş cismi hərəkət etdirən potensiallar fərqi, Volt
m: cismin kütləsi, kq
Hörmətli oxucumuzun əsas riyazi biliklərə malik olduğunu fərz etsək, mötərizənin yuxarısındakı ½-nin əslində mötərizənin kvadrat kökünü təmsil etdiyini qeyd etməyə ehtiyac yoxdur. Enerji və kütlə arasındakı əlaqəni Eynşteynin düsturuna (E=mc²) əsaslandıraraq elektron sürətini də şərh edə bilərəm:
Yuxarıda verdiyim tənliklərdə elektron sürəti və kütlə ilə elektrik sahəsinə tətbiq etdiyim gərginlik arasındakı əlaqəni asanlıqla araşdırmaq olar. Anod vasitəsilə filamentlə sərbəstlik qazanan elektronları ayırdıq, onları yüksək gərginlikli elektrik sahəsində sürətləndirdik və indi koordinasiya vaxtıdır. Yəni, elektron şüasının dəqiq hara dəyəcəyinə dair bir yanaşma nəzərdən keçirilir.
Polarizasiya əyilmə lövhələrinə birbaşa cərəyan tətbiq etməklə əldə edilir. Bunun məqsədi müsbət və mənfi yüklü iki lövhə əldə etməkdir. Beləliklə, mətnin əvvəlində qeyd etdiyim kimi; Yüklərin dəf edilməsi və əks yüklərin cəzb edilməsi prinsipinə əsasən, mənfi yüklü elektronlar da əyilə bilər. Elektron şüası əyilmə lövhələri arasındakı gərginliyə mütənasib miqdarda oxdan kənara çıxacaq. Plitələri elektron dövrələrlə idarə etməklə, qütblük və lövhələrdəki yük miqdarı elastikliklə tənzimlənə bilər. Həm şaquli, həm də üfüqi əyilmə lövhələrindən istifadə edərək elektronlar dəqiq olaraq istədiyiniz nöqtələrə göndərilə bilər.
Elektron şüasındakı elektronlar əyilmə lövhələri arasındakı boşluğa çatdıqda, Vx gərginliyinin təsiri altında təcil qazanırlar.
Buna görə də, onların borunun oxu boyunca sürəti:
q: elektrondakı yük miqdarıdır. Katod şüa borularının Vx təcil gərginlikləri 18000 volt və ya daha az olduğundan, kütlənin sabit olduğunu fərz edə bilərəm.
ÖSYM imtahanını verən hər kəsin bildiyi bir şey var: məsafə sürət və zamanın hasilinə bərabərdir. Bunu elektronun keçdiyi yola asanlıqla tətbiq edə bilərik. Daha sonra nizamlı tənliklər dəstimizi yazaraq tədricən sona qədər irəliləyək.
Boru oxuna perpendikulyar sürət komponenti
Y istiqamətindəki ay təcilini də buradan tapmaq olar. Yenə də, əsas riyaziyyatdan istifadə edərək, ay-ı təcrid etməyinizi demirəm; amma y istiqamətindəki qüvvə belədir:
Elektrik sahəsinin gücü:
ifadəsi ilə tapmaq olar: Burada d, metrlə plitələr arasındakı məsafədir. Vy, şaquli əyilmə plitələr arasındakı potensiallar fərqidir.
