Zdroje elektrónov, druhy elektrónového žiarenia, príčiny ionizácie

Aby sme pochopili a vysvetlili princípy fungovania elektronických zariadení, je potrebné odpovedať na nasledujúcu otázku: ako sa oddeľujú elektróny?Odpovieme v tomto článku.

Podľa modernej teórie sa atóm skladá z jadra, ktoré má kladný náboj a koncentruje v sebe takmer celú hmotnosť atómu, a záporne nabitých elektrónov umiestnených okolo jadra. Atóm ako celok je elektricky neutrálny, preto sa náboj jadra musí rovnať náboju okolitých elektrónov.

Pretože všetky chemikálie sú vyrobené z molekúl a molekuly sú vyrobené z atómov, každá látka v tuhom, kvapalnom alebo plynnom stave je potenciálnym zdrojom elektrónov. V skutočnosti sa všetky tri agregované stavy hmoty využívajú v technických zariadeniach ako zdroj elektrónov.

Obzvlášť dôležitým zdrojom elektrónov sú kovy, ktoré sa na tento účel zvyčajne používajú vo forme drôtov alebo pások.

Vynára sa otázka: ak takéto vlákno obsahuje elektróny a ak sú tieto elektróny relatívne voľné, to znamená, že sa môžu pohybovať viac-menej voľne vo vnútri kovu (že je to skutočne tak, sme presvedčení, že aj veľmi malý potenciálny rozdiel, nanesený na oba konce takéhoto závitu usmerňuje tok elektrónov pozdĺž neho), prečo potom elektróny nevylietajú z kovu a za normálnych podmienok netvoria zdroj elektrónov? Na túto otázku možno dať jednoduchú odpoveď na základe elementárnej elektrostatickej teórie.

Predpokladajme, že elektróny opustia kov. Potom by mal kov získať kladný náboj. Keďže náboje opačných znamienok sa navzájom priťahujú, elektróny budú opäť priťahované ku kovu, pokiaľ tomu nezabráni nejaký vonkajší vplyv.

Existuje niekoľko spôsobov, ako môžu elektróny v kovu dostať dostatok energie na to, aby opustili kov:

1. Termionické žiarenie

Termionické žiarenie je emisia elektrónov zo žeravých telies. Termionické žiarenie bolo študované v pevných látkach a najmä v kovoch a polovodičoch v súvislosti s ich použitím ako materiálu pre termionické katódy elektronických zariadení a prevodníkov tepla na elektrinu.

Fenomén straty negatívnej elektriny z telies pri zahriatí na teplotu vyššiu ako biele teplo je známy už od konca 18. storočia. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) a ďalší stanovili množstvo kvalitatívnych zákonitostí tohto javu. V tridsiatych rokoch 20. storočia boli stanovené hlavné analytické vzťahy medzi počtom emitovaných elektrónov, telesnou teplotou a pracovnou funkciou.

Prúd, ktorý preteká vláknom, keď je na jeho konce privedené napätie, vlákno ohrieva. Keď je teplota kovu dostatočne vysoká, elektróny opustia povrch kovu a uniknú do okolitého priestoru.

Takto použitý kov sa nazýva termionická katóda a uvoľnenie elektrónov týmto spôsobom sa nazýva termionické žiarenie. Procesy spôsobujúce termionické žiarenie sú podobné procesom vyparovania molekúl z povrchu kvapaliny.

V oboch prípadoch je potrebné vykonať určitú prácu. V prípade kvapaliny je touto prácou latentné teplo vyparovania, ktoré sa rovná energii potrebnej na zmenu jedného gramu látky z kvapalného do plynného skupenstva.

V prípade termionického žiarenia je takzvaná pracovná funkcia minimálna energia potrebná na odparenie jedného elektrónu z kovu. Vákuové zosilňovače predtým používané v rádiotechnike mali zvyčajne termionické katódy.

2. Fotoemisia

Pôsobením svetla na povrch rôznych materiálov dochádza aj k uvoľňovaniu elektrónov. Svetelná energia sa používa na to, aby elektróny látky dostali potrebnú energiu navyše, aby mohli opustiť kov.

Materiál použitý ako zdroj elektrónov v tejto metóde sa nazýva fotovoltaická katóda a proces uvoľňovania elektrónov je známy ako fotovoltaické alebo fotoelektrónové emisie... Tento spôsob uvoľňovania elektrónov je základom elektrického oka – fotobunka.

3. Sekundárne emisie

Keď častice (elektróny alebo kladné ióny) narážajú na kovový povrch, časť kinetickej energie týchto častíc alebo celá ich kinetická energia sa môže preniesť na jeden alebo viac elektrónov kovu, v dôsledku čoho získajú energiu dostatočnú na to, aby opustili kov. Tento proces sa nazýva emisia sekundárnych elektrónov.

4. Autoelektronické emisie

Ak existuje veľmi silné elektrické pole v blízkosti povrchu kovu, môže odtiahnuť elektróny z kovu. Tento jav sa nazýva emisia poľa alebo studená emisia.

Ortuť je jediný kov, ktorý sa bežne používa ako katóda na vyžarovanie poľa (v starých ortuťových usmerňovačoch). Ortuťové katódy umožňujú veľmi vysoké prúdové hustoty a umožňujú konštrukciu usmerňovačov až do 3000 kW.

Elektróny sa môžu uvoľňovať aj z plynnej látky niekoľkými spôsobmi. Proces, pri ktorom atóm stráca elektrón, sa nazýva ionizácia.… Atóm, ktorý stratil elektrón, sa nazýva kladný ión.

Ionizačný proces môže prebiehať z nasledujúcich dôvodov:

1. Elektronické bombardovanie

Voľný elektrón v plynom naplnenej lampe môže v dôsledku elektrického poľa získať energiu dostatočnú na ionizáciu molekuly plynu alebo atómu. Tento proces môže mať lavínový charakter, keďže po vyrazení elektrónu z atómu môžu oba elektróny v budúcnosti, keď sa zrazia s časticami plynu, uvoľniť nové elektróny.

Primárne elektróny môžu byť uvoľnené z pevnej látky ktoroukoľvek z vyššie diskutovaných metód a úlohu tuhej látky môže zohrávať plášť, v ktorom je plyn uzavretý, a ktorákoľvek z elektród umiestnených vo vnútri lampy.Primárne elektróny môžu byť generované aj fotovoltaickým žiarením.

2. Fotoelektrická ionizácia

Ak je plyn vystavený viditeľnému alebo neviditeľnému žiareniu, potom môže byť energia tohto žiarenia dostatočná (keď je absorbovaná atómom) na odbúranie niektorých elektrónov. Tento mechanizmus hrá dôležitú úlohu pri určitých typoch výboja plynu. Okrem toho môže v plyne nastať fotoelektrický efekt v dôsledku emisie excitovaných častíc zo samotného plynu.

3. Bombardovanie pozitívnymi iónmi

Kladný ión narážajúci na molekulu neutrálneho plynu môže uvoľniť elektrón, ako v prípade bombardovania elektrónmi.

4. Tepelná ionizácia

Ak je teplota plynu dostatočne vysoká, potom niektoré z elektrónov, ktoré tvoria jeho molekuly, môžu získať dostatok energie na to, aby opustili atómy, ku ktorým patria. Tento jav je podobný termoelektrickému žiareniu z kovu.Tento typ emisie zohráva úlohu iba v prípade silného oblúka pri vysokom tlaku.

Najvýznamnejšiu úlohu zohráva ionizácia plynu v dôsledku bombardovania elektrónmi. Fotoelektrická ionizácia je dôležitá pri niektorých typoch výboja plynu. Zvyšné procesy sú menej dôležité.

Donedávna sa vákuové zariadenia rôznych konštrukcií používali všade: v komunikačných technológiách (najmä rádiokomunikáciách), v radaroch, v energetike, pri výrobe prístrojov atď.

Využitie elektrovákuových prístrojov v oblasti energetiky spočíva v premene striedavého prúdu na jednosmerný prúd (usmernenie), premene jednosmerného prúdu na striedavý prúd (invertovanie), zmene frekvencie, úprave otáčok elektromotorov, automatickej regulácii napätia striedavého prúdu. a generátory jednosmerného prúdu, zapínanie a vypínanie významného výkonu pri elektrickom zváraní, ovládanie osvetlenia.

Elektrónky – história, princíp činnosti, dizajn a použitie

Využitie interakcie žiarenia s elektrónmi viedlo k vytvoreniu fotobuniek a svetelných zdrojov s plynovou výbojkou: neónových, ortuťových a žiariviek. Elektronické ovládanie malo mimoriadny význam v divadelných a priemyselných svetelných schémach.

V súčasnosti všetky tieto procesy využívajú polovodičové elektronické zariadenia a používajú sa na osvetlenie LED technológia.