Az elektronok forrásai, az elektronsugárzás fajtái, az ionizáció okai

Az elektronikai eszközök működési elveinek megértéséhez és magyarázatához meg kell válaszolni a következő kérdést: hogyan válnak el az elektronok? Ebben a cikkben válaszolunk.

A modern elmélet szerint az atom egy pozitív töltésű magból áll, amely magában foglalja az atom szinte teljes tömegét, valamint az atommag körül elhelyezkedő negatív töltésű elektronokból. Az atom egésze elektromosan semleges, ezért az atommag töltésének meg kell egyeznie a környező elektronok töltésével.

Mivel minden vegyi anyag molekulákból, a molekulák pedig atomokból állnak, minden szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú anyag potenciális elektronforrás. Valójában az anyag mindhárom halmazállapotát a technikai eszközökben elektronforrásként használják.

Különösen fontos elektronforrások a fémek, amelyeket általában huzalok vagy szalagok formájában használnak erre a célra.

Felmerül a kérdés: ha egy ilyen izzószál elektronokat tartalmaz, és ha ezek az elektronok viszonylag szabadok, vagyis többé-kevésbé szabadon mozoghatnak a fém belsejében (hogy ez valóban így van, meggyőződésünk, hogy még nagyon kis potenciálkülönbség is, egy ilyen szál mindkét végére alkalmazva az elektronok áramlását irányítja rajta), akkor miért nem repülnek ki az elektronok a fémből és normál körülmények között nem képeznek elektronforrást? Erre a kérdésre az elemi elektrosztatikus elmélet alapján egyszerű választ adhatunk.

Tegyük fel, hogy az elektronok elhagyják a fémet. Ezután a fémnek pozitív töltést kell szereznie. Mivel az ellentétes előjelű töltések vonzzák egymást, az elektronok ismét vonzódni fognak a fémhez, hacsak valamilyen külső hatás ezt meg nem akadályozza.

Számos módja van annak, hogy a fémben lévő elektronok elegendő energiát kapjanak ahhoz, hogy elhagyják a fémet:

1. Termionos sugárzás

A termoionos sugárzás az izzó testekből származó elektronok kibocsátása. A termoionos sugárzást szilárd anyagokban, különösen fémekben és félvezetőkben tanulmányozták az elektronikus eszközök és hő-elektromos konverterek termikus katódjaihoz való anyagként való felhasználásuk kapcsán.

A 18. század vége óta ismert az a jelenség, hogy a testekből fehérhő feletti hőmérsékletre hevített negatív elektromosság elveszik. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) és mások számos minőségi törvényt állapítottak meg ennek a jelenségnek. Az 1930-as évekre meghatározták a főbb analitikai összefüggéseket a kibocsátott elektronok száma, a testhőmérséklet és a munkafunkció között.

Az izzószálon átfolyó áram, amikor a végeire feszültséget kapcsolunk, felmelegíti az izzószálat. Amikor a fém hőmérséklete elég magas, az elektronok elhagyják a fém felületét, és a környező térbe távoznak.

Az így felhasznált fémet termionos katódnak, az elektronok ilyen módon történő felszabadulását pedig termikus sugárzásnak nevezzük. A termoionos sugárzást okozó folyamatok hasonlóak a molekulák folyadék felszínéről történő párolgási folyamataihoz.

Mindkét esetben el kell végezni némi munkát.Folyadék esetén ez a munka a párolgási hő, amely egyenlő azzal az energiával, amely egy gramm anyag folyékonyból gáz halmazállapotúvá változásához szükséges.

Termionos sugárzás esetén az úgynevezett munkafüggvény az a minimális energia, amely egy elektron elpárologtatásához szükséges a fémből. A korábban a rádiótechnikában használt vákuumerősítők általában termionos katóddal rendelkeztek.

2. Fotoemisszió

A különböző anyagok felületére ható fény hatására szintén elektronok szabadulnak fel. A fényenergiát arra használják fel, hogy az anyag elektronjait ellássák a szükséges többletenergiával, hogy azok elhagyhassák a fémet.

Az ebben a módszerben elektronforrásként használt anyagot fotovoltaikus katódnak nevezik, az elektronok felszabadításának folyamatát pedig ún. fotovoltaikus vagy fotoelektron-kibocsátásAz elektronok felszabadításának ez a módja az elektromos szem alapja... fotocella.

3. Másodlagos kibocsátások

Amikor részecskék (elektronok vagy pozitív ionok) ütköznek egy fém felületébe, ezeknek a részecskéknek a mozgási energiájának egy része vagy teljes kinetikai energiája átkerülhet a fém egy vagy több elektronjára, aminek eredményeként a részecskék elegendő energiát szereznek a távozáshoz. a fémet. Ezt a folyamatot másodlagos elektronemissziónak nevezik.

4. Autoelektronikus kibocsátások

Ha nagyon erős elektromos tér van a fém felületének közelében, az elektronokat húzhat el a fémtől. Ezt a jelenséget terepi emissziónak vagy hidegemissziónak nevezik.

A higany az egyetlen fém, amelyet széles körben használnak terepi emissziós katódként (a régi higany egyenirányítókban). A higanykatódok nagyon nagy áramsűrűséget tesznek lehetővé, és akár 3000 kW teljesítményű egyenirányítók tervezését is lehetővé teszik.

A gáznemű anyagból elektronok is többféle módon szabadulhatnak fel. Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amelynek során az atom elektront veszít.… Az elektront vesztett atomot pozitív ionnak nevezzük.

Az ionizációs folyamat a következő okok miatt mehet végbe:

1. Elektronikus bombázás

A gázzal töltött lámpában lévő szabad elektron az elektromos tér hatására elegendő energiát nyerhet egy gázmolekula vagy atom ionizálásához. Ez a folyamat lavina jellegű is lehet, hiszen az elektron kiütése után az atomból a jövőben mindkét elektron gázrészecskékkel ütközve új elektronokat szabadíthat fel.

A szilárd testből a primer elektronok a fentebb tárgyalt módszerek bármelyikével felszabadíthatók, és a szilárd test szerepét betöltheti mind a héj, amelybe a gáz be van zárva, mind pedig a lámpa belsejében elhelyezett bármelyik elektróda.Primer elektronok fotovoltaikus sugárzással is előállíthatók.

2. Fotoelektromos ionizáció

Ha a gáz látható vagy láthatatlan sugárzásnak van kitéve, akkor ennek a sugárzásnak az energiája elegendő lehet (amikor egy atom elnyeli) az elektronok egy részének kilökésére. Ez a mechanizmus fontos szerepet játszik bizonyos típusú gázkisüléseknél. Ezenkívül fotoelektromos hatás léphet fel a gázban a gerjesztett részecskék magából a gázból történő kibocsátása miatt.

3. Pozitív ionos bombázás

Egy semleges gázmolekulába ütköző pozitív ion elektront szabadíthat fel, mint az elektronbombázás esetén.

4. Termikus ionizáció

Ha a gáz hőmérséklete elég magas, akkor a molekuláit alkotó elektronok némelyike ​​elegendő energiát tud szerezni ahhoz, hogy elhagyja az atomokat, amelyekhez tartoznak. Ez a jelenség a fémből származó termoelektromos sugárzáshoz hasonló, ez a fajta emisszió csak nagy nyomású erős ív esetén játszik szerepet.

A legjelentősebb szerepet a gáz elektronbombázás hatására bekövetkező ionizációja játssza. A fotoelektromos ionizáció fontos bizonyos típusú gázkisüléseknél. A többi folyamat kevésbé fontos.

Egészen a közelmúltig mindenütt használták a különféle kialakítású vákuumkészülékeket: a kommunikációs technológiákban (különösen a rádiókommunikációban), a radarokban, az energetikában, a műszergyártásban stb.

Az elektrovákuum eszközök energia területén a váltakozó áram egyenárammá alakításából (egyenirányítás), az egyenáram váltakozó árammá alakításából (invertálás), a frekvencia megváltoztatásából, a villanymotorok fordulatszámának beállításából, a váltakozó áram feszültségének automatikus szabályozásából állnak. és egyenáramú generátorok, jelentős teljesítmény be- és kikapcsolása az elektromos hegesztésben, világításvezérlés.

Elektroncsövek – története, működési elve, tervezés és alkalmazás

A sugárzás és az elektronok kölcsönhatásának alkalmazása fotocellák és gázkisüléses fényforrások létrehozásához vezetett: neon-, higany- és fénycsövek. Az elektronikus vezérlés rendkívül fontos volt a színházi és ipari világítási rendszerekben.

Jelenleg mindezen folyamatok félvezető elektronikai eszközöket használnak, és világításra használják LED technológia.