Viri elektronov, vrste elektronskega sevanja, vzroki ionizacije

Da bi razumeli in razložili principe delovanja elektronskih naprav, je treba odgovoriti na naslednje vprašanje: kako se ločijo elektroni, bomo odgovorili v tem članku.

Po sodobni teoriji je atom sestavljen iz jedra, ki ima pozitiven naboj in v sebi koncentrira skoraj celotno maso atoma, ter negativno nabitih elektronov, ki se nahajajo okoli jedra. Atom kot celota je električno nevtralen, zato mora biti naboj jedra enak naboju okoliških elektronov.

Ker so vse kemikalije sestavljene iz molekul, molekule pa iz atomov, je vsaka snov v trdnem, tekočem ali plinastem stanju potencialni vir elektronov. Pravzaprav se v tehničnih napravah kot vir elektronov uporabljajo vsa tri agregatna stanja snovi.

Posebej pomemben vir elektronov so kovine, ki se običajno uporabljajo v ta namen v obliki žic ali trakov.

Postavlja se vprašanje: če tak filament vsebuje elektrone in če so ti elektroni relativno prosti, se pravi, da se lahko bolj ali manj prosto gibljejo znotraj kovine (da je res tako, smo prepričani, da že zelo majhna potencialna razlika, nanesena na oba konca takšne niti usmerja tok elektronov vzdolž nje), zakaj potem elektroni ne odletijo iz kovine in v normalnih pogojih ne tvorijo vira elektronov? Preprost odgovor na to vprašanje je mogoče dati na podlagi elementarne elektrostatične teorije.

Recimo, da elektroni zapustijo kovino. Potem bi morala kovina pridobiti pozitiven naboj. Ker se naboji nasprotnih predznakov medsebojno privlačijo, bo elektrone spet privlačila kovina, razen če kak zunanji vpliv tega prepreči.

Obstaja več načinov, kako lahko elektroni v kovini dobijo dovolj energije, da zapustijo kovino:

1. Termionsko sevanje

Termionsko sevanje je emisija elektronov iz žarečih teles. Termionsko sevanje so proučevali v trdnih snoveh in zlasti v kovinah in polprevodnikih v povezavi z njihovo uporabo kot materiala za termoelektrične katode elektronskih naprav in pretvornikov toplote v elektriko.

Pojav izgube negativne elektrike iz teles pri segrevanju na temperaturo nad belo toploto je znan že od konca 18. stoletja. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) in drugi so ugotovili številne kvalitativne zakonitosti tega pojava. Do leta 1930 so bile določene glavne analitične povezave med številom izpuščenih elektronov, telesno temperaturo in delovno funkcijo.

Tok, ki teče skozi žarilno nitko, ko je na njenih koncih napetost, segreva žarilno nitko. Ko je temperatura kovine dovolj visoka, bodo elektroni zapustili površino kovine in pobegnili v okoliški prostor.

Tako uporabljena kovina se imenuje termionska katoda, sproščanje elektronov na ta način pa termionsko sevanje. Procesi, ki povzročajo termoelektrično sevanje, so podobni procesom izhlapevanja molekul s površine tekočine.

V obeh primerih je treba opraviti nekaj dela.V primeru tekočine je to delo latentna toplota uparjanja, ki je enaka energiji, potrebni za spremembo enega grama snovi iz tekočega v plinasto stanje.

V primeru termionskega sevanja je tako imenovana delovna funkcija minimalna energija, ki je potrebna za izhlapevanje enega elektrona iz kovine. Vakuumski ojačevalniki, ki so se prej uporabljali v radijski tehniki, so običajno imeli termionske katode.

2. Fotoemisija

Posledica delovanja svetlobe na površini različnih materialov je tudi sproščanje elektronov. Svetlobna energija se uporablja za zagotavljanje elektronom snovi potrebne dodatne energije, da lahko zapustijo kovino.

Material, ki se pri tej metodi uporablja kot vir elektronov, se imenuje fotovoltaična katoda, proces sproščanja elektronov pa je znan kot fotovoltaične ali fotoelektronske emisije… Ta način sproščanja elektronov je osnova električnega očesa – fotocelica.

3. Sekundarne emisije

Ko delci (elektroni ali pozitivni ioni) zadenejo kovinsko površino, se lahko del kinetične energije teh delcev ali vsa njihova kinetična energija prenese na enega ali več elektronov kovine, zaradi česar ti pridobijo dovolj energije, da zapustijo kovina. Ta proces imenujemo sekundarna emisija elektronov.

4. Avtoelektronske emisije

Če blizu površine kovine obstaja zelo močno električno polje, lahko povleče elektrone stran od kovine. Ta pojav imenujemo poljska emisija ali hladna emisija.

Živo srebro je edina kovina, ki se pogosto uporablja kot katoda za poljsko emisijo (v starih živosrebrnih usmernikih). Živosrebrne katode omogočajo zelo visoke tokovne gostote in omogočajo načrtovanje usmernikov do 3000 kW.

Tudi elektroni se lahko iz plinaste snovi sprostijo na več načinov. Proces, pri katerem atom izgubi elektron, se imenuje ionizacija.… Atom, ki je izgubil elektron, se imenuje pozitivni ion.

Postopek ionizacije lahko poteka zaradi naslednjih razlogov:

1. Elektronsko bombardiranje

Prosti elektron v svetilki s plinom lahko zaradi električnega polja pridobi dovolj energije za ionizacijo molekule ali atoma plina. Ta proces ima lahko plazovit značaj, saj lahko po izbijanju elektrona iz atoma oba elektrona v prihodnosti, ko trčita z delci plina, sprostita nove elektrone.

Primarne elektrone je mogoče sprostiti iz trdne snovi s katero koli od zgoraj opisanih metod, vlogo trdne snovi pa lahko igra tako lupina, v kateri je zaprt plin, kot katera koli elektroda, ki se nahaja znotraj svetilke.Primarne elektrone lahko generira tudi fotovoltaično sevanje.

2. Fotoelektrična ionizacija

Če je plin izpostavljen vidnemu ali nevidnemu sevanju, je lahko energija tega sevanja zadostna (ko jo absorbira atom), da odbije nekaj elektronov. Ta mehanizem igra pomembno vlogo pri nekaterih vrstah izpustov plina. Poleg tega se lahko v plinu pojavi fotoelektrični učinek zaradi emisije vzbujenih delcev iz samega plina.

3. Obstreljevanje s pozitivnimi ioni

Pozitivni ion, ki zadene nevtralno molekulo plina, lahko sprosti elektron, kot v primeru elektronskega bombardiranja.

4. Toplotna ionizacija

Če je temperatura plina dovolj visoka, lahko nekateri elektroni, ki sestavljajo njegove molekule, pridobijo dovolj energije, da zapustijo atome, ki jim pripadajo. Ta pojav je podoben termoelektričnemu sevanju kovine.Ta vrsta emisije igra vlogo le v primeru močnega obloka pri visokem tlaku.

Najpomembnejšo vlogo ima ionizacija plina kot posledica obstreljevanja z elektroni. Fotoelektrična ionizacija je pomembna pri nekaterih vrstah plinske razelektritve. Preostali procesi so manj pomembni.

Do relativno nedavnega so se vakuumske naprave različnih zasnov uporabljale povsod: v komunikacijskih tehnologijah (zlasti radijskih komunikacijah), v radarjih, v energetiki, v izdelavi instrumentov itd.

Uporaba elektrovakuumskih naprav na področju energetike obsega pretvarjanje izmeničnega toka v enosmerni tok (rektifikacija), pretvarjanje enosmernega toka v izmenični tok (invertiranje), spreminjanje frekvence, prilagajanje hitrosti elektromotorjev, avtomatsko krmiljenje napetosti izmeničnega toka in generatorji enosmernega toka, vklop in izklop pomembne moči pri električnem varjenju, krmiljenje razsvetljave.

Elektronke — zgodovina, princip delovanja, načrtovanje in uporaba

Uporaba interakcije sevanja z elektroni je privedla do nastanka fotocelic in virov svetlobe na principu praznjenja v plinu: neonskih, živosrebrnih in fluorescentnih sijalk. Elektronski nadzor je bil izjemnega pomena v shemah gledališke in industrijske razsvetljave.

Trenutno vsi ti procesi uporabljajo polprevodniške elektronske naprave in se uporabljajo za razsvetljavo LED tehnologija.