Kilder til elektroner, typer elektronstråling, årsaker til ionisering

For å forstå og forklare prinsippene for drift av elektroniske enheter, er det nødvendig å svare på følgende spørsmål: hvordan skilles elektroner?Vi vil svare i denne artikkelen.

I følge moderne teori består atomet av en kjerne, som har en positiv ladning og konsentrerer seg i seg selv nesten hele atomets masse, og negativt ladede elektroner plassert rundt kjernen. Atomet som helhet er elektrisk nøytraltDerfor må ladningen til kjernen være lik ladningen til elektronene rundt.

Siden alle kjemikalier er laget av molekyler, og molekyler er laget av atomer, er ethvert stoff i fast, flytende eller gassform en potensiell kilde til elektroner. Faktisk brukes alle tre aggregerte materietilstander i tekniske enheter som en kilde til elektroner.

En spesielt viktig kilde til elektroner er metaller, som vanligvis brukes til dette formålet i form av ledninger eller bånd.

Spørsmålet oppstår: hvis et slikt filament inneholder elektroner og hvis disse elektronene er relativt frie, det vil si at de kan bevege seg mer eller mindre fritt inne i metallet (at dette faktisk er tilfelle, er vi overbevist om at selv en veldig liten potensialforskjell, påført begge ender av en slik tråd leder strømmen av elektroner langs den), hvorfor flyr ikke elektronene ut av metallet og danner under normale forhold ikke en kilde til elektroner? Et enkelt svar på dette spørsmålet kan gis på grunnlag av elementær elektrostatisk teori.

Anta at elektronene forlater metallet. Da bør metallet få en positiv ladning. Siden ladninger med motsatte fortegn tiltrekker hverandre, vil elektronene igjen bli tiltrukket av metallet med mindre noen ytre påvirkning forhindrer dette.

Det er flere måter elektroner i et metall kan gis nok energi til å forlate metallet:

1. Termionisk stråling

Termionisk stråling er utslipp av elektroner fra glødelegemer. Termionisk stråling er studert i faste stoffer og spesielt i metaller og halvledere i forbindelse med deres bruk som materiale for termioniske katoder av elektroniske enheter og varme-til-elektrisitet-omformere.

Fenomenet tap av negativ elektrisitet fra kropper ved oppvarming til en temperatur over hvit varme har vært kjent siden slutten av 1700-tallet. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) og andre etablerte en rekke kvalitative lover for dette fenomenet. På 1930-tallet ble de viktigste analytiske sammenhengene mellom antall utsendte elektroner, kroppstemperatur og arbeidsfunksjon bestemt.

Strømmen som strømmer gjennom glødetråden når en spenning påføres endene, varmer opp glødetråden. Når temperaturen på metallet er høy nok, vil elektronene forlate overflaten av metallet og unnslippe inn i det omkringliggende rommet.

Metallet som brukes på denne måten kalles en termionisk katode, og frigjøring av elektroner på denne måten kalles termionisk stråling. Prosessene som forårsaker termionisk stråling ligner prosessene for fordampning av molekyler fra overflaten av en væske.

I begge tilfeller må det gjøres noe arbeid.. Når det gjelder en væske, er dette arbeidet den latente fordampningsvarmen, lik energien som kreves for å endre ett gram av stoffet fra flytende til gassform.

Når det gjelder termionisk stråling, er den såkalte arbeidsfunksjonen minimumsenergien som kreves for å fordampe ett elektron fra metallet. Vakuumforsterkere som tidligere ble brukt i radioteknikk hadde vanligvis termioniske katoder.

2. Fotoemisjon

Virkningen av lys på overflaten av forskjellige materialer resulterer også i frigjøring av elektroner. Lysenergien brukes til å gi stoffets elektroner den nødvendige ekstra energien slik at de kan forlate metallet.

Materialet som brukes som en kilde til elektroner i denne metoden kalles en fotovoltaisk katode, og prosessen med å frigjøre elektroner er kjent som solcelle- eller fotoelektronutslipp… Denne måten å frigjøre elektroner på er grunnlaget for det elektriske øyet— fotocelle.

3. Sekundære utslipp

Når partikler (elektroner eller positive ioner) treffer en metalloverflate, kan en del av den kinetiske energien til disse partiklene eller hele deres kinetiske energi overføres til ett eller flere elektroner i metallet, som et resultat av at de får energi som er tilstrekkelig til å forlate metallet. Denne prosessen kalles sekundær elektronemisjon.

4. Autoelektroniske utslipp

Hvis det eksisterer et veldig sterkt elektrisk felt nær overflaten av metallet, kan det trekke elektroner bort fra metallet. Dette fenomenet kalles feltutslipp eller kuldeutslipp.

Kvikksølv er det eneste metallet som er mye brukt som feltemisjonskatode (i de gamle kvikksølvlikeretterne). Kvikksølvkatoder tillater svært høye strømtettheter og muliggjør utforming av likerettere opp til 3000 kW.

Elektroner kan også frigjøres fra et gassformig stoff på flere måter. Prosessen der et atom mister et elektron kalles ionisering.… Et atom som har mistet et elektron kalles et positivt ion.

Ioniseringsprosessen kan finne sted på grunn av følgende årsaker:

1. Elektronisk bombardement

Et fritt elektron i en gassfylt lampe kan på grunn av det elektriske feltet tilegne seg energi som er tilstrekkelig til å ionisere et gassmolekyl eller atom. Denne prosessen kan ha skredkarakter, siden etter å ha slått ut et elektron fra et atom, kan begge elektronene i fremtiden, når de kolliderer med gasspartikler, frigjøre nye elektroner.

Primærelektroner kan frigjøres fra et fast stoff ved hvilken som helst av metodene diskutert ovenfor, og rollen til et fast stoff kan spilles både av skallet som gassen er innelukket i, og av hvilken som helst av elektrodene som er plassert inne i lampen.Primærelektroner kan også genereres av fotovoltaisk stråling.

2. Fotoelektrisk ionisering

Hvis gassen utsettes for synlig eller usynlig stråling, kan energien til den strålingen være tilstrekkelig (når den absorberes av et atom) til å slå av noen av elektronene. Denne mekanismen spiller en viktig rolle i visse typer gassutslipp. I tillegg kan en fotoelektrisk effekt oppstå i en gass på grunn av utslipp av eksiterte partikler fra selve gassen.

3. Positivt ionebombardement

Et positivt ion som treffer et nøytralt gassmolekyl kan frigjøre et elektron, som i tilfellet med elektronbombardement.

4. Termisk ionisering

Hvis temperaturen på gassen er høy nok, kan noen av elektronene som utgjør molekylene tilegne seg nok energi til å forlate atomene de tilhører. Dette fenomenet ligner på termoelektrisk stråling fra metall.Denne typen utslipp spiller bare en rolle i tilfelle av en kraftig lysbue ved høyt trykk.

Den viktigste rollen spilles av ionisering av gassen som et resultat av elektronbombardement. Fotoelektrisk ionisering er viktig i noen typer gassutslipp. De resterende prosessene er mindre viktige.

Inntil relativt nylig ble vakuumenheter av forskjellige design brukt overalt: i kommunikasjonsteknologi (spesielt radiokommunikasjon), i radarer, i energi, i instrumentproduksjon, etc.

Bruken av elektrovakuumenheter innen energi består av å konvertere vekselstrøm til likestrøm (likretting), konvertere likestrøm til vekselstrøm (invertering), endre frekvensen, justere hastigheten til elektriske motorer, automatisk kontrollere spenningen til vekselstrøm. og likestrømsgeneratorer, slå på og av betydelig kraft i elektrisk sveising, lysstyring.

Elektronrør — Historie, Driftsprinsipp, Design og Anvendelse

Bruken av interaksjonen av stråling med elektroner førte til dannelsen av fotoceller og gassutladningslyskilder: neon, kvikksølv og fluorescerende lamper. Elektronisk styring var av største betydning i teatralske og industrielle belysningsordninger.

For tiden bruker alle disse prosessene halvleder elektroniske enheter og brukes til belysning LED-teknologi.