Kilder til elektroner, typer af elektronstråling, årsager til ionisering
For at forstå og forklare principperne for drift af elektroniske enheder er det nødvendigt at besvare følgende spørgsmål: hvordan adskilles elektroner Vi vil svare i denne artikel.
Ifølge moderne teori består atomet af en kerne, som har en positiv ladning og i sig selv koncentrerer næsten hele atomets masse, og negativt ladede elektroner placeret omkring kernen. Atomet som helhed er elektrisk neutralt, derfor skal ladningen af kernen være lig med ladningen af de omgivende elektroner.
Da alle kemikalier er lavet af molekyler, og molekyler er lavet af atomer, er ethvert stof i fast, flydende eller gasformig tilstand en potentiel kilde til elektroner. Faktisk bruges alle tre samlede tilstande af stof i tekniske enheder som en kilde til elektroner.
En særlig vigtig kilde til elektroner er metaller, som normalt bruges til dette formål i form af ledninger eller bånd.
Spørgsmålet opstår: hvis et sådant filament indeholder elektroner, og hvis disse elektroner er relativt frie, det vil sige, at de kan bevæge sig mere eller mindre frit inde i metallet (at dette faktisk er tilfældet, er vi overbevist om, at selv en meget lille potentialforskel, påført begge ender af en sådan tråd leder strømmen af elektroner langs den), hvorfor flyver elektronerne så ikke ud af metallet og danner under normale forhold ikke en kilde til elektroner? Et simpelt svar på dette spørgsmål kan gives på grundlag af elementær elektrostatisk teori.
Antag, at elektronerne forlader metallet. Så skulle metallet få en positiv ladning. Da ladninger af modsatte fortegn tiltrækker hinanden, vil elektronerne igen blive tiltrukket af metallet, medmindre en ydre påvirkning forhindrer dette.
Der er flere måder, hvorpå elektroner i et metal kan få nok energi til at forlade metallet:
1. Termionisk stråling
Termionstråling er emission af elektroner fra glødelegemer. Termionstråling er blevet undersøgt i faste stoffer og især i metaller og halvledere i forbindelse med deres anvendelse som materiale til termionkatoder af elektroniske apparater og varme-til-elektricitet-omformere.
Fænomenet med tab af negativ elektricitet fra legemer, når de opvarmes til en temperatur over hvid varme, har været kendt siden slutningen af det 18. århundrede. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) og andre etablerede en række kvalitative love for dette fænomen. I 1930'erne blev de vigtigste analytiske sammenhænge mellem antallet af udsendte elektroner, kropstemperatur og arbejdsfunktion bestemt.
Den strøm, der strømmer gennem glødetråden, når en spænding påføres dens ender, opvarmer glødetråden. Når metallets temperatur er høj nok, vil elektronerne forlade overfladen af metallet og undslippe ud i det omgivende rum.
Det metal, der bruges på denne måde, kaldes en termionisk katode, og frigivelsen af elektroner på denne måde kaldes termionisk stråling. De processer, der forårsager termionisk stråling, ligner processerne for fordampning af molekyler fra overfladen af en væske.
I begge tilfælde skal der udføres noget arbejde. I tilfælde af en væske er dette arbejde den latente fordampningsvarme, svarende til den energi, der kræves for at ændre et gram af stoffet fra flydende til gasformig tilstand.
I tilfælde af termionisk stråling er den såkaldte arbejdsfunktion den mindste energi, der kræves for at fordampe en elektron fra metallet. Vakuumforstærkere, der tidligere blev brugt i radioteknik, havde normalt termioniske katoder.
2. Fotoemission
Lysets virkning på overfladen af forskellige materialer resulterer også i frigivelse af elektroner. Lysenergien bruges til at forsyne stoffets elektroner med den nødvendige ekstra energi, så de kan forlade metallet.
Materialet, der bruges som en kilde til elektroner i denne metode, kaldes en fotovoltaisk katode, og processen med at frigive elektroner er kendt som fotovoltaiske eller fotoelektronemissioner… Denne måde at frigive elektroner på er grundlaget for det elektriske øje— fotocelle.
3. Sekundære emissioner
Når partikler (elektroner eller positive ioner) rammer en metaloverflade, kan en del af disse partiklers kinetiske energi eller hele deres kinetiske energi overføres til en eller flere elektroner i metallet, som et resultat af hvilket de får tilstrækkelig energi til at forlade metallet. metallet. Denne proces kaldes sekundær elektronemission.
4. Autoelektroniske emissioner
Hvis der findes et meget stærkt elektrisk felt nær overfladen af metallet, kan det trække elektroner væk fra metallet. Dette fænomen kaldes feltemission eller kuldemission.
Kviksølv er det eneste metal, der er meget udbredt som feltemissionskatode (i de gamle kviksølvensrettere). Kviksølvkatoder tillader meget høje strømtætheder og muliggør design af ensrettere op til 3000 kW.
Elektroner kan også frigives fra et gasformigt stof på flere måder. Processen, hvorved et atom mister en elektron, kaldes ionisering.… Et atom, der har mistet en elektron, kaldes en positiv ion.
Ioniseringsprocessen kan finde sted af følgende årsager:
1. Elektronisk bombardement
En fri elektron i en gasfyldt lampe kan på grund af det elektriske felt erhverve tilstrækkelig energi til at ionisere et gasmolekyle eller atom. Denne proces kan have lavinekarakter, da efter at have slået en elektron ud fra et atom, kan begge elektroner i fremtiden, når de kolliderer med gaspartikler, frigive nye elektroner.
Primære elektroner kan frigives fra et fast stof ved enhver af metoderne diskuteret ovenfor, og rollen som et fast stof kan spilles både af skallen, hvori gassen er indesluttet, og af enhver af elektroderne, der er placeret inde i lampen.Primære elektroner kan også genereres af fotovoltaisk stråling.
2. Fotoelektrisk ionisering
Hvis gassen udsættes for synlig eller usynlig stråling, kan denne strålings energi være tilstrækkelig (når den absorberes af et atom) til at slå nogle af elektronerne væk. Denne mekanisme spiller en vigtig rolle i visse typer gasudledning. Derudover kan der opstå en fotoelektrisk effekt i en gas på grund af emission af exciterede partikler fra selve gassen.
3. Positivt ionbombardement
En positiv ion, der rammer et neutralt gasmolekyle, kan frigive en elektron, som i tilfælde af elektronbombardement.
4. Termisk ionisering
Hvis temperaturen af gassen er høj nok, så kan nogle af elektronerne, der udgør dens molekyler, erhverve nok energi til at forlade de atomer, som de tilhører. Dette fænomen ligner termoelektrisk stråling fra metal.Denne type emission spiller kun en rolle i tilfælde af en kraftig lysbue ved højt tryk.
Den vigtigste rolle spilles af ionisering af gassen som følge af elektronbombardement. Fotoelektrisk ionisering er vigtig i nogle typer gasudladning. De resterende processer er mindre vigtige.
Indtil relativt for nylig blev vakuumenheder af forskellige designs brugt overalt: i kommunikationsteknologier (især radiokommunikation), i radarer, i energi, i instrumentfremstilling osv.
Brugen af elektrovakuumapparater inden for energiområdet består i at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm (enretning), konvertere jævnstrøm til vekselstrøm (invertering), ændring af frekvensen, justering af hastigheden af elektriske motorer, automatisk styring af vekselstrømspændingen og jævnstrømsgeneratorer, der tænder og slukker betydelig strøm i elektrisk svejsning, lysstyring.
Elektronrør — Historie, funktionsprincip, design og anvendelse
Brugen af interaktionen af stråling med elektroner førte til skabelsen af fotoceller og gasudladningslyskilder: neon, kviksølv og fluorescerende lamper. Elektronisk styring var af yderste vigtighed i teatralske og industrielle belysningsordninger.
I øjeblikket bruger alle disse processer halvleder elektroniske enheder og bruges til belysning LED-teknologi.