Πηγές ηλεκτρονίων, είδη ακτινοβολίας ηλεκτρονίων, αιτίες ιοντισμού

Για να κατανοήσουμε και να εξηγήσουμε τις αρχές λειτουργίας των ηλεκτρονικών συσκευών, είναι απαραίτητο να απαντήσουμε στην ακόλουθη ερώτηση: πώς διαχωρίζονται τα ηλεκτρόνια;Θα απαντήσουμε σε αυτό το άρθρο.

Σύμφωνα με τη σύγχρονη θεωρία, το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος έχει θετικό φορτίο και συγκεντρώνει στον εαυτό του σχεδόν ολόκληρη τη μάζα του ατόμου, και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα. Το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, επομένως, το φορτίο του πυρήνα πρέπει να είναι ίσο με το φορτίο των γύρω ηλεκτρονίων.

Δεδομένου ότι όλες οι χημικές ουσίες αποτελούνται από μόρια και τα μόρια αποτελούνται από άτομα, οποιαδήποτε ουσία σε στερεή, υγρή ή αέρια κατάσταση είναι μια πιθανή πηγή ηλεκτρονίων. Στην πραγματικότητα, και οι τρεις αθροιστικές καταστάσεις της ύλης χρησιμοποιούνται σε τεχνικές συσκευές ως πηγή ηλεκτρονίων.

Ιδιαίτερα σημαντική πηγή ηλεκτρονίων είναι τα μέταλλα, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό με τη μορφή συρμάτων ή κορδελών.

Τίθεται το ερώτημα: εάν ένα τέτοιο νήμα περιέχει ηλεκτρόνια και αν αυτά τα ηλεκτρόνια είναι σχετικά ελεύθερα, δηλαδή μπορούν να κινούνται λίγο-πολύ ελεύθερα μέσα στο μέταλλο (ότι αυτό πράγματι συμβαίνει, είμαστε πεπεισμένοι ότι ακόμη και μια πολύ μικρή διαφορά δυναμικού, εφαρμόζεται και στα δύο άκρα ενός τέτοιου νήματος κατευθύνει τη ροή των ηλεκτρονίων κατά μήκος του), τότε γιατί τα ηλεκτρόνια δεν πετούν έξω από το μέταλλο και υπό κανονικές συνθήκες δεν σχηματίζουν πηγή ηλεκτρονίων; Μια απλή απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να δοθεί με βάση τη στοιχειώδη ηλεκτροστατική θεωρία.

Ας υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια αφήνουν το μέταλλο. Τότε το μέταλλο θα πρέπει να αποκτήσει θετικό φορτίο. Εφόσον τα φορτία αντίθετων σημείων έλκονται μεταξύ τους, τα ηλεκτρόνια θα έλκονται και πάλι από το μέταλλο εκτός εάν κάποια εξωτερική επιρροή το εμποδίζει αυτό.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο μπορούν να λάβουν αρκετή ενέργεια για να φύγουν από το μέταλλο:

1. Θερμιονική ακτινοβολία

Η θερμιονική ακτινοβολία είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από πυρακτωμένα σώματα. Η θερμιονική ακτινοβολία έχει μελετηθεί σε στερεά και ιδιαίτερα σε μέταλλα και ημιαγωγούς σε σχέση με τη χρήση τους ως υλικό για θερμιονικές καθόδους ηλεκτρονικών συσκευών και μετατροπέων θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Το φαινόμενο της απώλειας αρνητικού ηλεκτρισμού από τα σώματα όταν θερμαίνονται σε θερμοκρασία πάνω από τη λευκή θερμότητα είναι γνωστό από τα τέλη του 18ου αιώνα. Ο V. V. Petrov (1812), ο Thomas Edison (1889) και άλλοι καθιέρωσαν μια σειρά από ποιοτικούς νόμους αυτού του φαινομένου. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, καθορίστηκαν οι κύριες αναλυτικές σχέσεις μεταξύ του αριθμού των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων, της θερμοκρασίας του σώματος και της λειτουργίας εργασίας.

Το ρεύμα που διαρρέει το νήμα όταν εφαρμόζεται τάση στα άκρα του θερμαίνει το νήμα. Όταν η θερμοκρασία του μετάλλου είναι αρκετά υψηλή, τα ηλεκτρόνια θα φύγουν από την επιφάνεια του μετάλλου και θα διαφύγουν στον περιβάλλοντα χώρο.

Το μέταλλο που χρησιμοποιείται με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται θερμιονική κάθοδος και η απελευθέρωση ηλεκτρονίων με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται θερμιονική ακτινοβολία. Οι διαδικασίες που προκαλούν θερμιονική ακτινοβολία είναι παρόμοιες με τις διαδικασίες εξάτμισης μορίων από την επιφάνεια ενός υγρού.

Και στις δύο περιπτώσεις, πρέπει να γίνει κάποια εργασία.Στην περίπτωση ενός υγρού, αυτή η εργασία είναι η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης, ίση με την ενέργεια που απαιτείται για να αλλάξει ένα γραμμάριο της ουσίας από υγρή σε αέρια κατάσταση.

Στην περίπτωση της θερμιονικής ακτινοβολίας, η λεγόμενη συνάρτηση εργασίας είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την εξάτμιση ενός ηλεκτρονίου από το μέταλλο. Οι ενισχυτές κενού που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως στη ραδιομηχανική είχαν συνήθως θερμιονικές καθόδους.

2. Φωτοεκπομπή

Η δράση του φωτός στην επιφάνεια διαφόρων υλικών έχει επίσης ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Η φωτεινή ενέργεια χρησιμοποιείται για να παρέχει στα ηλεκτρόνια της ουσίας την απαραίτητη επιπλέον ενέργεια ώστε να μπορούν να φύγουν από το μέταλλο.

Το υλικό που χρησιμοποιείται ως πηγή ηλεκτρονίων σε αυτή τη μέθοδο ονομάζεται φωτοβολταϊκή κάθοδος και η διαδικασία απελευθέρωσης ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως εκπομπές φωτοβολταϊκών ή φωτοηλεκτρονίων… Αυτός ο τρόπος απελευθέρωσης ηλεκτρονίων είναι η βάση του ηλεκτρικού ματιού— φωτοκύτταρο.

3. Δευτερογενείς εκπομπές

Όταν σωματίδια (ηλεκτρόνια ή θετικά ιόντα) προσκρούουν σε μια μεταλλική επιφάνεια, μέρος της κινητικής ενέργειας αυτών των σωματιδίων ή όλη η κινητική τους ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί σε ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια του μετάλλου, με αποτέλεσμα να αποκτούν ενέργεια αρκετή για να φύγουν το μέταλλο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται δευτερογενής εκπομπή ηλεκτρονίων.

4. Αυτοηλεκτρονικές εκπομπές

Εάν ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει κοντά στην επιφάνεια του μετάλλου, μπορεί να τραβήξει ηλεκτρόνια μακριά από το μέταλλο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται εκπομπή πεδίου ή ψυχρή εκπομπή.

Ο υδράργυρος είναι το μόνο μέταλλο που χρησιμοποιείται ευρέως ως κάθοδος εκπομπής πεδίου (στους παλιούς ανορθωτές υδραργύρου). Οι κάθοδοι υδραργύρου επιτρέπουν πολύ υψηλές πυκνότητες ρεύματος και επιτρέπουν τον σχεδιασμό ανορθωτών έως 3000 kW.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να απελευθερωθούν από μια αέρια ουσία με διάφορους τρόπους. Η διαδικασία με την οποία ένα άτομο χάνει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται ιονισμός.… Ένα άτομο που έχει χάσει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται θετικό ιόν.

Η διαδικασία ιονισμού μπορεί να λάβει χώρα για τους εξής λόγους:

1. Ηλεκτρονικός βομβαρδισμός

Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο σε έναν λαμπτήρα γεμάτο με αέριο μπορεί, λόγω του ηλεκτρικού πεδίου, να αποκτήσει ενέργεια επαρκή για να ιονίσει ένα μόριο ή ένα άτομο αερίου. Αυτή η διαδικασία μπορεί να έχει χαρακτήρα χιονοστιβάδας, αφού μετά την εκτόξευση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο, και τα δύο ηλεκτρόνια στο μέλλον, όταν συγκρούονται με σωματίδια αερίου, μπορούν να απελευθερώσουν νέα ηλεκτρόνια.

Τα πρωτεύοντα ηλεκτρόνια μπορούν να απελευθερωθούν από ένα στερεό με οποιαδήποτε από τις μεθόδους που συζητήθηκαν παραπάνω και ο ρόλος ενός στερεού μπορεί να διαδραματιστεί τόσο από το κέλυφος στο οποίο περικλείεται το αέριο όσο και από οποιοδήποτε από τα ηλεκτρόδια που βρίσκονται μέσα στη λάμπα.Τα πρωτογενή ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να δημιουργηθούν από φωτοβολταϊκή ακτινοβολία.

2. Φωτοηλεκτρικός ιονισμός

Εάν το αέριο εκτεθεί σε ορατή ή αόρατη ακτινοβολία, τότε η ενέργεια αυτής της ακτινοβολίας μπορεί να είναι αρκετή (όταν απορροφάται από ένα άτομο) για να εκτινάξει μερικά από τα ηλεκτρόνια. Αυτός ο μηχανισμός παίζει σημαντικό ρόλο σε ορισμένους τύπους εκκένωσης αερίου. Επιπλέον, ένα φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να συμβεί σε ένα αέριο λόγω της εκπομπής διεγερμένων σωματιδίων από το ίδιο το αέριο.

3. Βομβαρδισμός θετικών ιόντων

Ένα θετικό ιόν που χτυπά ένα ουδέτερο μόριο αερίου μπορεί να απελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο, όπως στην περίπτωση του βομβαρδισμού ηλεκτρονίων.

4. Θερμικός ιονισμός

Εάν η θερμοκρασία του αερίου είναι αρκετά υψηλή, τότε μερικά από τα ηλεκτρόνια που αποτελούν τα μόριά του μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να φύγουν από τα άτομα στα οποία ανήκουν. Αυτό το φαινόμενο είναι παρόμοιο με τη θερμοηλεκτρική ακτινοβολία από μέταλλο Αυτός ο τύπος εκπομπής παίζει ρόλο μόνο στην περίπτωση ισχυρού τόξου σε υψηλή πίεση.

Τον πιο σημαντικό ρόλο παίζει ο ιονισμός του αερίου ως αποτέλεσμα του βομβαρδισμού ηλεκτρονίων. Ο φωτοηλεκτρικός ιονισμός είναι σημαντικός σε ορισμένους τύπους εκκένωσης αερίου. Οι υπόλοιπες διαδικασίες είναι λιγότερο σημαντικές.

Μέχρι σχετικά πρόσφατα, συσκευές κενού διαφόρων σχεδίων χρησιμοποιούνταν παντού: σε τεχνολογίες επικοινωνίας (ιδίως ραδιοεπικοινωνίες), σε ραντάρ, στην ενέργεια, στην κατασκευή οργάνων κ.λπ.

Η χρήση συσκευών ηλεκτροκενού στον τομέα της ενέργειας συνίσταται στη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (ανόρθωση), στη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα (αναστροφή), στην αλλαγή της συχνότητας, στη ρύθμιση της ταχύτητας των ηλεκτροκινητήρων, στον αυτόματο έλεγχο της τάσης του εναλλασσόμενου ρεύματος και γεννήτριες συνεχούς ρεύματος, ενεργοποίηση και απενεργοποίηση σημαντικής ισχύος σε ηλεκτροσυγκόλληση, έλεγχος φωτισμού.

Ηλεκτρονικοί σωλήνες — Ιστορία, Αρχή Λειτουργίας, Σχεδιασμός και Εφαρμογή

Η χρήση της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με τα ηλεκτρόνια οδήγησε στη δημιουργία φωτοκυττάρων και πηγών φωτός εκκένωσης αερίου: νέον, υδράργυρο και λαμπτήρες φθορισμού. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος ήταν υψίστης σημασίας σε θεατρικά και βιομηχανικά συστήματα φωτισμού.

Επί του παρόντος, όλες αυτές οι διαδικασίες χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές συσκευές ημιαγωγών και χρησιμοποιούνται για φωτισμό Τεχνολογία LED.