Elektronien lähteet, elektronisäteilyn tyypit, ionisaation syyt

Elektronisten laitteiden toimintaperiaatteiden ymmärtämiseksi ja selittämiseksi on tarpeen vastata seuraavaan kysymykseen: kuinka elektronit erotetaan? Vastaamme tässä artikkelissa.

Nykyajan teorian mukaan atomi koostuu ytimestä, jolla on positiivinen varaus ja joka keskittyy itsessään lähes koko atomin massan, ja negatiivisesti varautuneista elektroneista, jotka sijaitsevat ytimen ympärillä. Atomi on kokonaisuudessaan sähköisesti neutraali, siksi ytimen varauksen on oltava yhtä suuri kuin ympäröivien elektronien varaus.

Koska kaikki kemikaalit koostuvat molekyyleistä ja molekyylit atomeista, mikä tahansa kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa tilassa oleva aine on mahdollinen elektronien lähde. Itse asiassa kaikkia kolmea aineen aggregaattitilaa käytetään teknisissä laitteissa elektronien lähteenä.

Erityisen tärkeä elektronien lähde ovat metallit, joita yleensä käytetään tähän tarkoitukseen lankojen tai nauhojen muodossa.

Herää kysymys: jos tällainen filamentti sisältää elektroneja ja jos nämä elektronit ovat suhteellisen vapaita, eli ne voivat liikkua enemmän tai vähemmän vapaasti metallin sisällä (että näin todellakin on, olemme vakuuttuneita siitä, että jopa hyvin pieni potentiaaliero, tällaisen langan molempiin päihin levitettynä ohjaa elektronien virtausta sitä pitkin), niin miksi elektronit eivät lennä ulos metallista eivätkä normaaliolosuhteissa muodosta elektronien lähdettä? Yksinkertainen vastaus tähän kysymykseen voidaan antaa elementaarisen sähköstaattisen teorian perusteella.

Oletetaan, että elektronit lähtevät metallista. Sitten metallin pitäisi saada positiivinen varaus. Koska vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, elektronit vetäytyvät jälleen metalliin, ellei jokin ulkoinen vaikutus estä tätä.

On olemassa useita tapoja, joilla metallissa oleville elektroneille voidaan antaa tarpeeksi energiaa poistuakseen metallista:

1. Termioninen säteily

Termioninen säteily on elektronien emissiota hehkuvasta kappaleesta. Lämpösäteilyä on tutkittu kiinteissä aineissa ja erityisesti metalleissa ja puolijohteissa niiden käytön yhteydessä elektroniikkalaitteiden ja lämpö-sähkö-muuntimien termisten katodien materiaalina.

Ilmiö negatiivisen sähkön häviämisestä kappaleista, kun ne lämmitetään valkolämpöä korkeampaan lämpötilaan, on tunnettu 1700-luvun lopulta lähtien. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) ja muut vahvistivat useita tämän ilmiön kvalitatiivisia lakeja. 1930-luvulle mennessä määritettiin tärkeimmät analyyttiset suhteet emittoituneiden elektronien määrän, kehon lämpötilan ja työtoiminnan välillä.

Virta, joka kulkee hehkulangan läpi, kun sen päihin kytketään jännite, lämmittää hehkulangan. Kun metallin lämpötila on riittävän korkea, elektronit poistuvat metallin pinnasta ja pakenevat ympäröivään tilaan.

Tällä tavalla käytettyä metallia kutsutaan termioniseksi katodiksa, ja elektronien vapautumista tällä tavalla kutsutaan termioniseksi säteilyksi. Termionista säteilyä aiheuttavat prosessit ovat samanlaisia ​​kuin prosessit, joissa molekyylit haihtuvat nesteen pinnalta.

Molemmissa tapauksissa on tehtävä jonkin verran työtä, nesteen tapauksessa tämä työ on piilevä höyrystymislämpö, ​​joka on yhtä suuri kuin energia, joka tarvitaan yhden gramman aineen muuttamiseen nestemäisestä kaasumaiseen tilaan.

Termionisen säteilyn tapauksessa ns. työfunktio on vähimmäisenergia, joka tarvitaan yhden elektronin haihduttamiseen metallista. Aiemmin radiotekniikassa käytetyissä tyhjiövahvistimissa oli yleensä termioniset katodit.

2. Valoemissio

Valon vaikutus eri materiaalien pintaan johtaa myös elektronien vapautumiseen. Valoenergiaa käytetään antamaan aineen elektroneille tarvittava lisäenergia, jotta ne voivat poistua metallista.

Tässä menetelmässä elektronien lähteenä käytettyä materiaalia kutsutaan aurinkosähkökatodiksi, ja elektronien vapautumisprosessi tunnetaan nimellä aurinkosähkö- tai valoelektronipäästöt… Tämä tapa vapauttaa elektroneja on sähkösilmän perusta. valokenno.

3. Toissijaiset päästöt

Kun hiukkaset (elektronit tai positiiviset ionit) osuvat metallin pintaan, osa näiden hiukkasten liike-energiasta tai koko niiden liike-energia voi siirtyä yhteen tai useampaan metallin elektroniin, minkä seurauksena ne saavat energiaa, joka riittää lähtemään. metallia. Tätä prosessia kutsutaan toissijaiseksi elektroniemissioksi.

4. Autoelektroniset päästöt

Jos metallin pinnan lähellä on erittäin voimakas sähkökenttä, se voi vetää elektroneja pois metallista. Tätä ilmiötä kutsutaan kenttäpäästöksi tai kylmäpäästöksi.

Elohopea on ainoa metalli, jota käytetään laajalti kenttäemission katodina (vanhoissa elohopeatasasuuntaajissa). Elohopeakatodit mahdollistavat erittäin korkean virrantiheyden ja mahdollistavat tasasuuntaajien suunnittelun 3000 kW:iin asti.

Kaasumaisesta aineesta voi myös vapautua elektroneja useilla tavoilla. Prosessia, jossa atomi menettää elektronin, kutsutaan ionisaatioksi.… Atomia, joka on menettänyt elektronin, kutsutaan positiiviseksi ioniksi.

Ionisaatioprosessi voi tapahtua seuraavista syistä:

1. Elektroninen pommitus

Kaasulla täytetyssä lampussa oleva vapaa elektroni voi sähkökentän ansiosta hankkia energiaa, joka riittää ionisoimaan kaasumolekyylin tai -atomin. Tällä prosessilla voi olla lumivyöryluonne, koska elektronin irrottamisen jälkeen atomista molemmat elektronit voivat tulevaisuudessa, kun ne törmäävät kaasuhiukkasten kanssa, vapauttaa uusia elektroneja.

Primäärielektroneja voidaan vapauttaa kiinteästä aineesta millä tahansa edellä käsitellyllä menetelmällä, ja kiinteän aineen roolia voi esittää sekä kuori, johon kaasu on suljettu, että mikä tahansa lampun sisällä olevista elektrodeista.Primäärielektroneja voidaan tuottaa myös aurinkosähkösäteilyllä.

2. Valosähköinen ionisaatio

Jos kaasu altistuu näkyvälle tai näkymätönlle säteilylle, tämän säteilyn energia voi olla riittävä (atomiin absorboituneena) lyömään pois osan elektroneista. Tällä mekanismilla on tärkeä rooli tietyissä kaasupurkaustyypeissä. Lisäksi kaasussa voi esiintyä valosähköistä vaikutusta, joka johtuu virittyneiden hiukkasten vapautumisesta itse kaasusta.

3. Positiivisten ionien pommitus

Positiivinen ioni, joka osuu neutraaliin kaasumolekyyliin, voi vapauttaa elektronin, kuten elektronipommituksen tapauksessa.

4. Terminen ionisaatio

Jos kaasun lämpötila on tarpeeksi korkea, osa sen molekyylien muodostavista elektroneista voi hankkia tarpeeksi energiaa lähteäkseen atomeista, joihin ne kuuluvat. Tämä ilmiö on samanlainen kuin metallin lämpösähköinen säteily, jolla on merkitystä vain voimakkaassa kaaressa korkeassa paineessa.

Merkittävin rooli on kaasun ionisaatiolla elektronipommituksen seurauksena. Valosähköinen ionisaatio on tärkeä tietyissä kaasupurkaustyypeissä. Loput prosessit ovat vähemmän tärkeitä.

Viime aikoihin asti erityyppisiä tyhjiölaitteita käytettiin kaikkialla: viestintätekniikoissa (erityisesti radioviestinnässä), tutkaissa, energiassa, instrumenttien valmistuksessa jne.

Sähkötyhjiölaitteiden käyttö energia-alalla koostuu vaihtovirran muuntamisesta tasavirraksi (tasasuuntaus), tasavirran muuntamisesta vaihtovirraksi (invertoimiseksi), taajuuden muuttamisesta, sähkömoottoreiden nopeuden säätämisestä, vaihtovirran jännitteen automaattisesta ohjaamisesta ja tasavirtageneraattorit, merkittävän tehon kytkeminen päälle ja pois sähköhitsauksessa, valaistuksen ohjaus.

Elektroniputket – historia, toimintaperiaate, suunnittelu ja käyttö

Säteilyn ja elektronien vuorovaikutuksen käyttö johti valokennojen ja kaasupurkausvalolähteiden luomiseen: neon-, elohopea- ja loistelamput. Elektroninen ohjaus oli äärimmäisen tärkeää teatteri- ja teollisuusvalaistusjärjestelmissä.

Tällä hetkellä kaikissa näissä prosesseissa käytetään puolijohdeelektroniikkalaitteita ja niitä käytetään valaistukseen LED-tekniikkaa.