Elektronide allikad, elektronkiirguse liigid, ionisatsiooni põhjused

Elektroonikaseadmete tööpõhimõtete mõistmiseks ja selgitamiseks on vaja vastata järgmisele küsimusele: kuidas elektronid eraldatakse, vastame selles artiklis.

Kaasaegse teooria järgi koosneb aatom positiivse laenguga tuumast, mis koondab endasse peaaegu kogu aatomi massi, ning tuuma ümber paiknevatest negatiivselt laetud elektronidest. Aatom tervikuna on elektriliselt neutraalne, seetõttu peab tuuma laeng olema võrdne ümbritsevate elektronide laenguga.

Kuna kõik kemikaalid koosnevad molekulidest ja molekulid aatomitest, on iga tahkes, vedelas või gaasilises olekus olev aine potentsiaalseks elektronide allikaks. Tegelikult kasutatakse kõiki kolme aine agregeeritud olekut tehnilistes seadmetes elektronide allikana.

Eriti oluline elektronide allikas on metallid, mida tavaliselt kasutatakse selleks juhtmete või lintide kujul.

Tekib küsimus: kui selline hõõgniit sisaldab elektrone ja kui need elektronid on suhteliselt vabad, see tähendab, et nad võivad metalli sees enam-vähem vabalt liikuda (et see tõesti nii on, oleme veendunud, et isegi väga väike potentsiaalide erinevus, sellise keerme mõlemasse otsa kantuna suunab elektronide voolu mööda seda), miks siis elektronid metallist välja ei lenda ega moodusta tavatingimustes elektronide allikat? Sellele küsimusele saab lihtsa vastuse anda elementaarse elektrostaatilise teooria põhjal.

Oletame, et elektronid lahkuvad metallist. Siis peaks metall omandama positiivse laengu. Kuna vastandmärgiga laengud tõmbavad üksteist ligi, tõmbuvad elektronid uuesti metalli poole, kui välismõju seda ei takista.

On mitmeid viise, kuidas metallis olevatele elektronidele saab anda piisavalt energiat metallist lahkumiseks:

1. Termokiirgus

Termokiirgus on hõõguvate kehade elektronide emissioon. Termioonilist kiirgust on uuritud tahketes ainetes ning eriti metallides ja pooljuhtides seoses nende kasutamisega elektroonikaseadmete ja soojus-elektrimuundurite termokatoodide materjalina.

Kehade negatiivse elektri kadumise nähtus, kui neid kuumutatakse temperatuurini üle valge kuumuse, on teada alates 18. sajandi lõpust. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) jt kehtestasid selle nähtuse kvalitatiivsed seadused. 1930. aastateks tehti kindlaks peamised analüütilised seosed emiteeritud elektronide arvu, kehatemperatuuri ja tööfunktsiooni vahel.

Vool, mis voolab läbi hõõgniidi, kui selle otstele pinge rakendatakse, soojendab hõõgniidi. Kui metalli temperatuur on piisavalt kõrge, lahkuvad elektronid metalli pinnalt ja pääsevad ümbritsevasse ruumi.

Sel viisil kasutatud metalli nimetatakse termokatoodiks ja elektronide vabanemist sellisel viisil nimetatakse termokiirguseks. Termioonilist kiirgust põhjustavad protsessid on sarnased molekulide aurustumisprotsessidega vedeliku pinnalt.

Mõlemal juhul tuleb teha mingi töö Vedeliku puhul on selleks tööks latentne aurustumissoojus, mis on võrdne energiaga, mis kulub ühe grammi aine muutmiseks vedelast olekusse gaasiliseks.

Termioonkiirguse puhul on nn tööfunktsioon minimaalne energia, mis on vajalik ühe elektroni aurustamiseks metallist. Varem raadiotehnikas kasutatud vaakumvõimenditel olid tavaliselt termilised katoodid.

2. Fotoemissioon

Valguse mõju erinevate materjalide pinnale toob kaasa ka elektronide vabanemise. Valgusenergiat kasutatakse aine elektronide varustamiseks vajaliku lisaenergiaga, et nad saaksid metallist lahkuda.

Selle meetodi puhul elektronide allikana kasutatud materjali nimetatakse fotogalvaaniliseks katoodiks ja elektronide vabastamise protsessi nimetatakse fotogalvaanilised või fotoelektronide emissioonid… See elektronide vabastamise viis on elektrisilma alus – fotosilm.

3. Sekundaarsed heitmed

Kui osakesed (elektronid või positiivsed ioonid) põrkuvad vastu metalli pinda, saab osa nende osakeste kineetilisest energiast või kogu nende kineetilisest energiast üle kanda ühele või mitmele metalli elektronile, mille tulemusena omandavad nad lahkumiseks piisava energia. metallist. Seda protsessi nimetatakse sekundaarseks elektronemissiooniks.

4. Autoelektroonilised heitmed

Kui metalli pinna lähedal on väga tugev elektriväli, võib see elektronid metallist eemale tõmmata. Seda nähtust nimetatakse väljaheiteks või külmaemissiooniks.

Elavhõbe on ainus metall, mida laialdaselt kasutatakse väljaemissioonikatoodina (vanades elavhõbedalaldis). Elavhõbeda katoodid võimaldavad väga suurt voolutihedust ja võimaldavad projekteerida kuni 3000 kW alalteid.

Ka elektronid võivad gaasilisest ainest vabaneda mitmel viisil. Protsessi, mille käigus aatom kaotab elektroni, nimetatakse ionisatsiooniks.… Aatomit, mis on kaotanud elektroni, nimetatakse positiivseks iooniks.

Ionisatsiooniprotsess võib toimuda järgmistel põhjustel:

1. Elektrooniline pommitamine

Gaasiga täidetud lambis olev vaba elektron võib elektrivälja toimel omandada piisavalt energiat gaasimolekuli või aatomi ioniseerimiseks. Sellel protsessil võib olla laviini iseloom, kuna pärast elektroni aatomist välja löömist võivad mõlemad elektronid tulevikus gaasiosakestega kokkupõrkel vabastada uusi elektrone.

Primaarelektrone saab tahkest ainest vabastada mis tahes ülalkirjeldatud meetodi abil ja tahke aine rolli võib täita nii kest, millesse gaas on suletud, kui ka mis tahes elektroodid, mis asuvad lambi sees.Primaarseid elektrone saab genereerida ka fotogalvaanilise kiirgusega.

2. Fotoelektriline ionisatsioon

Kui gaas puutub kokku nähtava või nähtamatu kiirgusega, võib selle kiirguse energia olla piisav (aatomi poolt neeldumisel) mõne elektroni eemaldamiseks. See mehhanism mängib olulist rolli teatud tüüpi gaasilahendustes. Lisaks võib gaasis tekkida fotoelektriline efekt, mis on tingitud gaasist endast ergastatud osakeste emissioonist.

3. Positiivsete ioonide pommitamine

Positiivne ioon, mis tabab neutraalset gaasimolekuli, võib vabastada elektroni, nagu elektronpommitamise korral.

4. Termiline ionisatsioon

Kui gaasi temperatuur on piisavalt kõrge, võivad mõned selle molekule moodustavad elektronid omandada piisavalt energiat, et lahkuda aatomitest, kuhu nad kuuluvad. See nähtus on sarnane metalli termoelektrilise kiirgusega Seda tüüpi emissioon mängib rolli ainult võimsa kaare korral kõrge rõhu all.

Kõige olulisem roll on gaasi ioniseerimisel elektronpommitamise tagajärjel. Fotoelektriline ionisatsioon on teatud tüüpi gaaslahenduse korral oluline. Ülejäänud protsessid on vähem olulised.

Veel suhteliselt hiljuti kasutati erineva konstruktsiooniga vaakumseadmeid kõikjal: sidetehnoloogiates (eriti raadiosides), radarites, energeetikas, instrumentide valmistamisel jne.

Elektrovaakumseadmete kasutamine energeetika valdkonnas seisneb vahelduvvoolu muutmises alalisvooluks (alaldis), alalisvoolu muutmises vahelduvvooluks (inverteerimine), sageduse muutmises, elektrimootorite kiiruse reguleerimises, vahelduvvoolu pinge automaatses juhtimises. ja alalisvoolugeneraatorid, olulise võimsuse sisse- ja väljalülitamine elektrikeevitusel, valgustuse juhtimine.

Elektrontorud – ajalugu, tööpõhimõte, disain ja rakendus

Kiirguse interaktsiooni kasutamine elektronidega viis fotoelementide ja gaaslahendusvalgusallikate loomiseni: neoon-, elavhõbe- ja luminofoorlambid. Elektrooniline juhtimine oli teatri- ja tööstusvalgustuse skeemides ülimalt oluline.

Praegu kasutavad kõik need protsessid pooljuhtelektroonikaid ja neid kasutatakse valgustamiseks LED tehnoloogia.