Izvori elektrona, vrste elektronskog zračenja, uzroci ionizacije

Da bismo razumjeli i objasnili principe rada elektroničkih uređaja, potrebno je odgovoriti na sljedeće pitanje: kako se odvajaju elektroni, odgovorit ćemo u ovom članku.

Prema suvremenoj teoriji, atom se sastoji od jezgre, koja ima pozitivan naboj i koncentrira u sebi gotovo cijelu masu atoma, i negativno nabijenih elektrona smještenih oko jezgre. Atom kao cjelina je električki neutralan, dakle, naboj jezgre mora biti jednak naboju okolnih elektrona.

Budući da su sve kemikalije sastavljene od molekula, a molekule od atoma, svaka tvar u krutom, tekućem ili plinovitom stanju potencijalni je izvor elektrona. Naime, sva tri agregatna stanja tvari koriste se u tehničkim uređajima kao izvor elektrona.

Posebno važan izvor elektrona su metali, koji se obično koriste u tu svrhu u obliku žica ili vrpci.

Postavlja se pitanje: ako takva nit sadrži elektrone i ako su ti elektroni relativno slobodni, odnosno mogu se više ili manje slobodno kretati unutar metala (da je to doista tako, uvjerili smo se da čak i vrlo mala razlika potencijala, nanesena na oba kraja takve niti usmjerava tok elektrona duž nje), zašto onda elektroni ne izlete iz metala i pod normalnim uvjetima ne tvore izvor elektrona? Jednostavan odgovor na ovo pitanje može se dati na temelju elementarne elektrostatičke teorije.

Pretpostavimo da elektroni napuštaju metal. Tada bi metal trebao dobiti pozitivan naboj. Budući da se naboji suprotnih predznaka međusobno privlače, elektroni će ponovno biti privučeni metalom osim ako neki vanjski utjecaj to spriječi.

Postoji nekoliko načina na koje se elektronima u metalu može dati dovoljno energije da napuste metal:

1. Termionsko zračenje

Termionsko zračenje je emisija elektrona iz užarenih tijela. Termionsko zračenje je proučavano u čvrstim tijelima, a posebno u metalima i poluvodičima u vezi s njihovom upotrebom kao materijala za termoelektrične katode elektroničkih uređaja i pretvarača topline u električnu energiju.

Fenomen gubitka negativnog elektriciteta iz tijela pri zagrijavanju na temperaturu iznad bijele topline poznat je od kraja 18. stoljeća. V. V. Petrov (1812.), Thomas Edison (1889.) i drugi ustanovili su niz kvalitativnih zakonitosti ove pojave. Do 1930-ih utvrđeni su glavni analitički odnosi između broja emitiranih elektrona, tjelesne temperature i rada.

Struja koja teče kroz žarnu nit kada se na njezine krajeve dovede napon zagrijava žarnu nit. Kada je temperatura metala dovoljno visoka, elektroni će napustiti površinu metala i pobjeći u okolni prostor.

Metal koji se koristi na ovaj način naziva se termoenička katoda, a oslobađanje elektrona na ovaj način naziva se termoensko zračenje. Procesi koji uzrokuju termoionsko zračenje slični su procesima isparavanja molekula s površine tekućine.

U oba slučaja mora se obaviti određeni rad. U slučaju tekućine, taj rad je latentna toplina isparavanja, jednaka energiji potrebnoj da se jedan gram tvari promijeni iz tekućeg u plinovito stanje.

U slučaju termoeničkog zračenja, takozvani rad rada je minimalna energija potrebna za isparavanje jednog elektrona iz metala. Vakuumska pojačala koja su se prije koristila u radiotehnici obično su imala termione katode.

2. Fotoemisija

Djelovanje svjetlosti na površinu različitih materijala također rezultira oslobađanjem elektrona. Energija svjetlosti koristi se za opskrbu elektrona tvari potrebnom dodatnom energijom kako bi mogli napustiti metal.

Materijal koji se koristi kao izvor elektrona u ovoj metodi naziva se fotonaponska katoda, a proces otpuštanja elektrona poznat je kao fotonaponske ili fotoelektronske emisije… Ovaj način otpuštanja elektrona je osnova električnog oka— fotoćelija.

3. Sekundarne emisije

Kada čestice (elektroni ili pozitivni ioni) udare o metalnu površinu, dio kinetičke energije tih čestica ili sva njihova kinetička energija može se prenijeti na jedan ili više elektrona metala, uslijed čega dobivaju energiju dovoljnu da napuste metal. Taj se proces naziva sekundarna emisija elektrona.

4. Autoelektroničke emisije

Ako u blizini površine metala postoji vrlo jako električno polje, ono može odvući elektrone od metala. Taj se fenomen naziva emisija polja ili hladna emisija.

Živa je jedini metal koji se široko koristi kao katoda za emisiju polja (u starim živinim ispravljačima). Živine katode omogućuju vrlo velike gustoće struje i omogućuju projektiranje ispravljača do 3000 kW.

Elektroni se također mogu osloboditi iz plinovite tvari na nekoliko načina. Proces kojim atom gubi elektron naziva se ionizacija.… Atom koji je izgubio elektron naziva se pozitivnim ionom.

Do procesa ionizacije može doći iz sljedećih razloga:

1. Elektroničko bombardiranje

Slobodni elektron u svjetiljci punjenoj plinom može zahvaljujući električnom polju dobiti energiju dovoljnu za ionizaciju molekule ili atoma plina. Ovaj proces može imati lavinski karakter, jer nakon izbacivanja elektrona iz atoma, oba elektrona u budućnosti, kada se sudare s česticama plina, mogu osloboditi nove elektrone.

Primarni elektroni mogu se osloboditi iz krutog tijela bilo kojom od gore razmotrenih metoda, a ulogu krutog tijela može igrati i ljuska u kojoj je plin zatvoren, i bilo koja od elektroda smještenih unutar svjetiljke.Primarni elektroni također se mogu generirati fotonaponskim zračenjem.

2. Fotoelektrična ionizacija

Ako je plin izložen vidljivom ili nevidljivom zračenju, tada energija tog zračenja može biti dovoljna (kada je apsorbira atom) da odbije neke od elektrona. Ovaj mehanizam ima važnu ulogu u određenim vrstama plinskih pražnjenja. Osim toga, u plinu se može pojaviti fotoelektrični efekt zbog emisije pobuđenih čestica iz samog plina.

3. Bombardiranje pozitivnim ionima

Pozitivni ion koji udari neutralnu molekulu plina može osloboditi elektron, kao u slučaju bombardiranja elektronima.

4. Toplinska ionizacija

Ako je temperatura plina dovoljno visoka, tada neki od elektrona koji čine njegove molekule mogu steći dovoljno energije da napuste atome kojima pripadaju. Ova pojava je slična termoelektričnom zračenju iz metala. Ova vrsta emisije igra ulogu samo u slučaju snažnog luka pri visokom tlaku.

Najznačajniju ulogu ima ionizacija plina kao rezultat bombardiranja elektronima. Fotoelektrična ionizacija važna je u nekim vrstama plinskih pražnjenja. Preostali procesi su manje važni.

Do relativno nedavno, vakuumski uređaji različitih dizajna korišteni su posvuda: u komunikacijskim tehnologijama (posebno radio komunikacijama), u radarima, u energetici, u izradi instrumenata itd.

Primjena elektrovakuumskih uređaja u području energetike sastoji se od pretvaranja izmjenične struje u istosmjernu (ispravljanje), pretvaranja istosmjerne struje u izmjeničnu (invertiranje), promjene frekvencije, podešavanja brzine elektromotora, automatske regulacije napona izmjenične struje. i generatori istosmjerne struje, uključivanje i isključivanje značajnih snaga u elektrozavarivanju, upravljanje rasvjetom.

Elektronske cijevi — povijest, princip rada, dizajn i primjena

Korištenje interakcije zračenja s elektronima dovelo je do stvaranja fotoćelija i izvora svjetlosti s izbojem u plinu: neonske, živine i fluorescentne svjetiljke. Elektronička kontrola bila je od najveće važnosti u shemama kazališne i industrijske rasvjete.

Trenutno svi ovi procesi koriste poluvodičke elektroničke uređaje i koriste se za rasvjetu LED tehnologija.