Surse de electroni, tipuri de radiații electronice, cauze ale ionizării

Pentru a înțelege și explica principiile de funcționare a dispozitivelor electronice, este necesar să răspundem la următoarea întrebare: cum sunt separați electronii? Vom răspunde în acest articol.

Conform teoriei moderne, atomul este format dintr-un nucleu, care are o sarcină pozitivă și concentrează în sine aproape întreaga masă a atomului, și electroni încărcați negativ, aflați în jurul nucleului. Atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, prin urmare, sarcina nucleului trebuie să fie egală cu sarcina electronilor din jur.

Deoarece toate substanțele chimice sunt formate din molecule, iar moleculele sunt formate din atomi, orice substanță în stare solidă, lichidă sau gazoasă este o sursă potențială de electroni. De fapt, toate cele trei stări agregate ale materiei sunt folosite în dispozitivele tehnice ca sursă de electroni.

O sursă deosebit de importantă de electroni sunt metalele, care sunt de obicei folosite în acest scop sub formă de fire sau panglici.

Se pune întrebarea: dacă un astfel de filament conține electroni și dacă acești electroni sunt relativ liberi, adică se pot mișca mai mult sau mai puțin liber în interiorul metalului (că acesta este într-adevăr cazul, suntem convinși că chiar și o diferență de potențial foarte mică, aplicat la ambele capete ale unui astfel de fir direcționează fluxul de electroni de-a lungul acestuia), atunci de ce electronii nu zboară din metal și, în condiții normale, nu formează o sursă de electroni? Un răspuns simplu la această întrebare poate fi dat pe baza teoriei electrostatice elementare.

Să presupunem că electronii părăsesc metalul. Apoi metalul ar trebui să dobândească o sarcină pozitivă. Deoarece sarcinile cu semne opuse se atrag reciproc, electronii vor fi atrași din nou de metal, cu excepția cazului în care o influență externă împiedică acest lucru.

Există mai multe moduri prin care electronilor dintr-un metal li se poate da suficientă energie pentru a părăsi metalul:

1. Radiația termoionică

Radiația termoionică este emisia de electroni din corpurile incandescente. Radiația termoionică a fost studiată în solide și în special în metale și semiconductori în legătură cu utilizarea lor ca material pentru catozii termoionici ai dispozitivelor electronice și convertoarelor căldură-electricitate.

Fenomenul de pierdere a electricității negative din corpuri atunci când sunt încălzite la o temperatură peste căldura albă este cunoscut încă de la sfârșitul secolului al XVIII-lea. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) și alții au stabilit o serie de legi calitative ale acestui fenomen. Până în anii 1930, au fost determinate principalele relații analitice dintre numărul de electroni emiși, temperatura corpului și funcția de lucru.

Curentul care trece prin filament atunci când este aplicată o tensiune la capete, încălzește filamentul. Când temperatura metalului este suficient de ridicată, electronii vor părăsi suprafața metalului și vor scăpa în spațiul înconjurător.

Metalul folosit în acest fel se numește catod termoionic, iar eliberarea electronilor în acest fel se numește radiație termoionică. Procesele care provoacă radiația termoionică sunt similare cu procesele de evaporare a moleculelor de pe suprafața unui lichid.

În ambele cazuri, trebuie făcută ceva muncă.În cazul unui lichid, această muncă este căldura latentă de vaporizare, egală cu energia necesară pentru a schimba un gram de substanță din stare lichidă în stare gazoasă.

În cazul radiației termoionice, așa-numita funcție de lucru este energia minimă necesară pentru a evapora un electron din metal. Amplificatoarele de vid utilizate anterior în inginerie radio aveau de obicei catozi termoionici.

2. Fotoemisia

Acțiunea luminii pe suprafața diferitelor materiale are ca rezultat și eliberarea de electroni. Energia luminoasă este folosită pentru a furniza electronilor substanței energia suplimentară necesară pentru a putea părăsi metalul.

Materialul folosit ca sursă de electroni în această metodă se numește catod fotovoltaic, iar procesul de eliberare a electronilor este cunoscut ca emisii fotovoltaice sau fotoelectroni… Acest mod de a elibera electroni este baza ochiului electric— fotocelula.

3. Emisii secundare

Când particulele (electroni sau ioni pozitivi) lovesc o suprafață metalică, o parte din energia cinetică a acestor particule sau toată energia lor cinetică poate fi transferată unuia sau mai multor electroni ai metalului, în urma cărora aceștia dobândesc energie suficientă pentru a părăsi metalul. Acest proces se numește emisie secundară de electroni.

4. Emisii autoelectronice

Dacă există un câmp electric foarte puternic lângă suprafața metalului, acesta poate trage electronii departe de metal. Acest fenomen se numește emisie de câmp sau emisie la rece.

Mercurul este singurul metal utilizat pe scară largă ca catod de emisie de câmp (în vechile redresoare cu mercur). Catozii de mercur permit densități de curent foarte mari și permit proiectarea redresoarelor de până la 3000 kW.

De asemenea, electronii pot fi eliberați dintr-o substanță gazoasă în mai multe moduri. Procesul prin care un atom pierde un electron se numește ionizare.… Un atom care a pierdut un electron se numește ion pozitiv.

Procesul de ionizare poate avea loc din următoarele motive:

1. Bombardament electronic

Un electron liber dintr-o lampă umplută cu gaz poate, datorită câmpului electric, să dobândească energie suficientă pentru a ioniza o moleculă sau un atom de gaz. Acest proces poate avea un caracter de avalanșă, deoarece după scoaterea unui electron dintr-un atom, ambii electroni în viitor, atunci când se ciocnesc cu particulele de gaz, pot elibera noi electroni.

Electronii primari pot fi eliberați dintr-un solid prin oricare dintre metodele discutate mai sus, iar rolul unui solid poate fi jucat atât de carcasa în care este închis gazul, cât și de oricare dintre electrozii aflați în interiorul lămpii.Electronii primari pot fi generați și de radiația fotovoltaică.

2. Ionizare fotoelectrică

Dacă gazul este expus la radiații vizibile sau invizibile, atunci energia acelei radiații poate fi suficientă (atunci când este absorbită de un atom) pentru a elimina o parte din electroni. Acest mecanism joacă un rol important în anumite tipuri de descărcare de gaze. În plus, un efect fotoelectric poate apărea într-un gaz datorită emisiei de particule excitate din gazul însuși.

3. Bombardament cu ioni pozitivi

Un ion pozitiv care lovește o moleculă de gaz neutră poate elibera un electron, ca în cazul bombardamentului cu electroni.

4. Ionizare termică

Dacă temperatura gazului este suficient de mare, atunci unii dintre electronii care alcătuiesc moleculele sale pot dobândi suficientă energie pentru a părăsi atomii cărora le aparțin. Acest fenomen este similar cu radiația termoelectrică din metal.Acest tip de emisie joacă un rol doar în cazul unui arc puternic la presiune mare.

Cel mai important rol îl joacă ionizarea gazului ca urmare a bombardamentului cu electroni. Ionizarea fotoelectrică este importantă în unele tipuri de descărcare de gaz. Procesele rămase sunt mai puțin importante.

Până de curând, dispozitivele de vid de diferite modele erau folosite peste tot: în tehnologiile comunicațiilor (în special în comunicații radio), în radare, în energie, în fabricarea instrumentelor etc.

Utilizarea dispozitivelor de electrovacuum în domeniul energiei constă în transformarea curentului alternativ în curent continuu (redresare), transformarea curentului continuu în curent alternativ (inversare), modificarea frecvenței, reglarea vitezei motoarelor electrice, controlul automat al tensiunii curentului alternativ. și generatoare de curent continuu, pornirea și oprirea puterii semnificative în sudarea electrică, controlul luminii.

Tuburi electronice — Istorie, principii de funcționare, proiectare și aplicare

Utilizarea interacțiunii radiațiilor cu electronii a condus la crearea fotocelulelor și a surselor de lumină cu descărcare în gaz: lămpi cu neon, mercur și fluorescente. Controlul electronic a fost de cea mai mare importanță în schemele de iluminat teatral și industrial.

În prezent, toate aceste procese folosesc dispozitive electronice semiconductoare și sunt folosite pentru iluminat Tehnologia LED.