Källor till elektroner, typer av elektronstrålning, orsaker till jonisering

För att förstå och förklara principerna för drift av elektroniska enheter är det nödvändigt att svara på följande fråga: hur separeras elektroner?Vi kommer att svara i den här artikeln.

Enligt modern teori består atomen av en kärna, som har en positiv laddning och koncentrerar i sig nästan hela atomens massa, och negativt laddade elektroner som finns runt kärnan. Atomen som helhet är elektriskt neutralladdningen av kärnan måste därför vara lika med laddningen av de omgivande elektronerna.

Eftersom alla kemikalier är gjorda av molekyler och molekyler är gjorda av atomer, är varje ämne i fast, flytande eller gasformigt tillstånd en potentiell elektronkälla. Faktum är att alla tre aggregattillstånden av materia används i tekniska anordningar som en källa till elektroner.

En särskilt viktig elektronkälla är metaller, som vanligtvis används för detta ändamål i form av trådar eller band.

Frågan uppstår: om ett sådant glödtråd innehåller elektroner och om dessa elektroner är relativt fria, det vill säga de kan röra sig mer eller mindre fritt inuti metallen (att så verkligen är fallet, är vi övertygade om att även en mycket liten potentialskillnad, appliceras på båda ändarna av en sådan tråd styr flödet av elektroner längs den), varför flyger inte elektronerna ut ur metallen och bildar under normala förhållanden inte en elektronkälla? Ett enkelt svar på denna fråga kan ges på grundval av elementär elektrostatisk teori.

Antag att elektronerna lämnar metallen. Då bör metallen få en positiv laddning. Eftersom laddningar av motsatta tecken attraherar varandra, kommer elektronerna återigen att attraheras till metallen om inte någon yttre påverkan förhindrar detta.

Det finns flera sätt som elektroner i en metall kan få tillräckligt med energi för att lämna metallen:

1. Termionisk strålning

Termionisk strålning är emission av elektroner från glödkroppar. Termionisk strålning har studerats i fasta ämnen och speciellt i metaller och halvledare i samband med deras användning som material för termioniska katoder i elektroniska apparater och värme-till-el-omvandlare.

Fenomenet med förlust av negativ elektricitet från kroppar vid upphettning till en temperatur över vit värme har varit känt sedan slutet av 1700-talet. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) och andra etablerade ett antal kvalitativa lagar för detta fenomen. På 1930-talet bestämdes de huvudsakliga analytiska sambanden mellan antalet emitterade elektroner, kroppstemperatur och arbetsfunktion.

Strömmen som flyter genom glödtråden när en spänning appliceras på dess ändar värmer glödtråden. När temperaturen på metallen är tillräckligt hög kommer elektronerna att lämna metallens yta och fly ut i det omgivande utrymmet.

Metallen som används på detta sätt kallas en termionisk katod, och frigörandet av elektroner på detta sätt kallas termionisk strålning. De processer som orsakar termionisk strålning liknar processerna för avdunstning av molekyler från ytan av en vätska.

I båda fallen måste en del arbete utföras. När det gäller en vätska är detta arbete det latenta förångningsvärmet, lika med den energi som krävs för att ändra ett gram av ämnet från flytande till gasformigt tillstånd.

När det gäller termionisk strålning är den så kallade arbetsfunktionen den minsta energi som krävs för att förånga en elektron från metallen. Vakuumförstärkare som tidigare användes inom radioteknik hade vanligtvis termioniska katoder.

2. Fotoemission

Ljusets verkan på ytan av olika material resulterar också i att elektroner frigörs. Ljusenergin används för att förse ämnets elektroner med nödvändig extra energi så att de kan lämna metallen.

Materialet som används som elektronkälla i denna metod kallas en fotovoltaisk katod, och processen att frigöra elektroner är känd som fotovoltaiska eller fotoelektronutsläpp… Det här sättet att frigöra elektroner är grunden för det elektriska ögat— fotocell.

3. Sekundära utsläpp

När partiklar (elektroner eller positiva joner) träffar en metallyta, kan en del av dessa partiklars kinetiska energi eller hela deras kinetiska energi överföras till en eller flera elektroner i metallen, som ett resultat av vilket de får tillräckligt med energi för att lämna metallen. Denna process kallas sekundär elektronemission.

4. Autoelektroniska utsläpp

Om ett mycket starkt elektriskt fält finns nära metallens yta kan det dra elektroner bort från metallen. Detta fenomen kallas fältemission eller kallemission.

Kvicksilver är den enda metall som används allmänt som fältemissionskatod (i de gamla kvicksilverlikriktarna). Kvicksilverkatoder tillåter mycket höga strömtätheter och möjliggör konstruktion av likriktare upp till 3000 kW.

Elektroner kan också frigöras från ett gasformigt ämne på flera sätt. Processen genom vilken en atom förlorar en elektron kallas jonisering.… En atom som har förlorat en elektron kallas en positiv jon.

Joniseringsprocessen kan ske av följande skäl:

1. Elektroniskt bombardemang

En fri elektron i en gasfylld lampa kan på grund av det elektriska fältet få tillräckligt med energi för att jonisera en gasmolekyl eller atom. Denna process kan ha en lavinkaraktär, eftersom efter att ha slagit ut en elektron från en atom kan båda elektronerna i framtiden, när de kolliderar med gaspartiklar, frigöra nya elektroner.

Primära elektroner kan frigöras från ett fast ämne med någon av metoderna som diskuterats ovan, och rollen som en fast substans kan spelas både av skalet i vilket gasen är innesluten och av någon av elektroderna som finns inuti lampan.Primära elektroner kan också genereras av fotovoltaisk strålning.

2. Fotoelektrisk jonisering

Om gasen utsätts för synlig eller osynlig strålning, kan energin från den strålningen vara tillräcklig (när den absorberas av en atom) för att slå bort några av elektronerna. Denna mekanism spelar en viktig roll vid vissa typer av gasutsläpp. Dessutom kan en fotoelektrisk effekt uppstå i en gas på grund av utsläpp av exciterade partiklar från själva gasen.

3. Positivt jonbombardement

En positiv jon som träffar en neutral gasmolekyl kan frigöra en elektron, som i fallet med elektronbombardement.

4. Termisk jonisering

Om temperaturen på gasen är tillräckligt hög kan en del av elektronerna som utgör dess molekyler få tillräckligt med energi för att lämna de atomer som de tillhör. Detta fenomen liknar termoelektrisk strålning från metall.Denna typ av emission spelar roll endast i fallet med en kraftig ljusbåge vid högt tryck.

Den viktigaste rollen spelas av joniseringen av gasen som ett resultat av elektronbombardement. Fotoelektrisk jonisering är viktig vid vissa typer av gasurladdningar. De återstående processerna är mindre viktiga.

Fram till relativt nyligen användes vakuumanordningar av olika design överallt: i kommunikationsteknik (särskilt radiokommunikation), i radar, i energi, i instrumenttillverkning, etc.

Användningen av elektrovakuumanordningar inom energiområdet består av att omvandla växelström till likström (likriktning), omvandla likström till växelström (invertering), ändra frekvensen, justera hastigheten på elmotorer, automatisk styrning av växelströmsspänningen och likströmsgeneratorer, slå på och av betydande kraft vid elektrisk svetsning, ljusstyrning.

Elektronrör — Historia, funktionsprincip, design och tillämpning

Användningen av interaktionen av strålning med elektroner ledde till skapandet av fotoceller och gasurladdningsljuskällor: neon, kvicksilver och lysrör. Elektronisk styrning var av yttersta vikt i teatraliska och industriella belysningssystem.

För närvarande använder alla dessa processer elektroniska halvledarenheter och används för belysning LED-teknik.