Zdroje elektronů, druhy elektronového záření, příčiny ionizace

Abychom pochopili a vysvětlili principy fungování elektronických zařízení, je nutné odpovědět na následující otázku: jak se oddělují elektrony?Odpovíme v tomto článku.

Podle moderní teorie se atom skládá z jádra, které má kladný náboj a soustřeďuje v sobě téměř celou hmotu atomu, a záporně nabitých elektronů umístěných kolem jádra. Atom jako celek je elektricky neutrální, proto se náboj jádra musí rovnat náboji okolních elektronů.

Protože všechny chemikálie jsou vyrobeny z molekul a molekuly jsou vyrobeny z atomů, jakákoli látka v pevném, kapalném nebo plynném stavu je potenciálním zdrojem elektronů. Ve skutečnosti jsou všechna tři agregovaná skupenství hmoty využívána v technických zařízeních jako zdroj elektronů.

Zvláště důležitým zdrojem elektronů jsou kovy, které se k tomuto účelu obvykle používají ve formě drátků nebo pásků.

Nabízí se otázka: obsahuje-li takové vlákno elektrony a jsou-li tyto elektrony relativně volné, to znamená, že se mohou uvnitř kovu více či méně volně pohybovat (že tomu tak skutečně je, jsme přesvědčeni, že i velmi malý potenciálový rozdíl, nanesený na oba konce takového závitu usměrňuje tok elektronů podél něj), proč potom elektrony z kovu nevylétají a za normálních podmínek netvoří zdroj elektronů? Na tuto otázku lze na základě elementární elektrostatické teorie dát jednoduchou odpověď.

Předpokládejme, že elektrony opustí kov. Pak by měl kov získat kladný náboj. Protože náboje opačných znamének se navzájem přitahují, elektrony budou opět přitahovány ke kovu, pokud tomu nezabrání nějaký vnější vliv.

Existuje několik způsobů, jak mohou elektrony v kovu získat dostatek energie, aby opustily kov:

1. Termionické záření

Termionické záření je emise elektronů ze žhavých těles. Termionické záření bylo studováno v pevných látkách a zejména v kovech a polovodičích v souvislosti s jejich použitím jako materiálu pro termionické katody elektronických zařízení a převodníků tepla na elektřinu.

Fenomén ztráty záporné elektřiny z těles při zahřátí na teplotu vyšší než bílé teplo je znám již od konce 18. století. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) a další stanovili řadu kvalitativních zákonitostí tohoto jevu. Do 30. let 20. století byly stanoveny hlavní analytické vztahy mezi počtem emitovaných elektronů, tělesnou teplotou a pracovní funkcí.

Proud, který protéká vláknem, když je na jeho konce přivedeno napětí, ohřívá vlákno. Když je teplota kovu dostatečně vysoká, elektrony opustí povrch kovu a uniknou do okolního prostoru.

Takto použitý kov se nazývá termionická katoda a uvolnění elektronů tímto způsobem se nazývá termionické záření. Procesy způsobující termionické záření jsou podobné procesům vypařování molekul z povrchu kapaliny.

V obou případech je třeba vykonat nějakou práci.V případě kapaliny je tato práce latentní výparné teplo, které se rovná energii potřebné ke změně jednoho gramu látky z kapalného do plynného skupenství.

V případě termionického záření je tzv. pracovní funkce minimální energie potřebná k odpaření jednoho elektronu z kovu. Vakuové zesilovače dříve používané v radiotechnice měly obvykle termionické katody.

2. Fotoemise

Působením světla na povrch různých materiálů dochází také k uvolňování elektronů. Světelná energie se používá k tomu, aby elektrony látky získaly nezbytnou energii navíc, aby mohly opustit kov.

Materiál použitý jako zdroj elektronů v této metodě se nazývá fotovoltaická katoda a proces uvolňování elektronů je známý jako fotovoltaické nebo fotoelektronové emise… Tento způsob uvolňování elektronů je základem elektrického oka – fotobuňka.

3. Sekundární emise

Když částice (elektrony nebo kladné ionty) narazí na kovový povrch, část kinetické energie těchto částic nebo celá jejich kinetická energie může být přenesena na jeden nebo více elektronů kovu, v důsledku čehož získají energii dostatečnou k tomu, aby opustily kov. Tento proces se nazývá sekundární emise elektronů.

4. Autoelektronické emise

Pokud existuje velmi silné elektrické pole blízko povrchu kovu, může odtáhnout elektrony od kovu. Tento jev se nazývá polní emise nebo studená emise.

Rtuť je jediným kovem široce používaným jako katoda pro emise v poli (ve starých rtuťových usměrňovačích). Rtuťové katody umožňují velmi vysoké proudové hustoty a umožňují konstrukci usměrňovačů až do výkonu 3000 kW.

Elektrony se také mohou z plynné látky uvolňovat několika způsoby. Proces, při kterém atom ztrácí elektron, se nazývá ionizace.… Atom, který ztratil elektron, se nazývá kladný iont.

Ionizační proces může probíhat z následujících důvodů:

1. Elektronické bombardování

Volný elektron v plynové lampě může díky elektrickému poli získat energii dostatečnou k ionizaci molekuly plynu nebo atomu. Tento proces může mít lavinový charakter, protože po vyražení elektronu z atomu mohou oba elektrony v budoucnu, když se srazí s částicemi plynu, uvolnit elektrony nové.

Primární elektrony mohou být uvolněny z pevné látky kteroukoli z výše diskutovaných metod a roli pevné látky může hrát jak plášť, ve kterém je plyn uzavřen, tak jakákoliv z elektrod umístěných uvnitř výbojky.Primární elektrony mohou být také generovány fotovoltaickým zářením.

2. Fotoelektrická ionizace

Pokud je plyn vystaven viditelnému nebo neviditelnému záření, pak energie tohoto záření může být dostatečná (když je absorbována atomem) k odražení některých elektronů. Tento mechanismus hraje důležitou roli při určitých typech výbojů plynů. Kromě toho může v plynu dojít k fotoelektrickému jevu v důsledku emise excitovaných částic ze samotného plynu.

3. Bombardování pozitivními ionty

Kladný iont narazí na neutrální molekulu plynu může uvolnit elektron, jako v případě ostřelování elektrony.

4. Tepelná ionizace

Pokud je teplota plynu dostatečně vysoká, pak některé elektrony, které tvoří jeho molekuly, mohou získat dostatek energie, aby opustily atomy, ke kterým patří. Tento jev je podobný termoelektrickému záření z kovu, tento typ emise hraje roli pouze v případě silného oblouku při vysokém tlaku.

Nejvýznamnější roli hraje ionizace plynu v důsledku ostřelování elektrony. Fotoelektrická ionizace je důležitá u některých typů plynových výbojů. Zbývající procesy jsou méně důležité.

Ještě relativně nedávno se všude používaly vakuové přístroje různých konstrukcí: v komunikačních technologiích (zejména radiokomunikacích), v radarech, v energetice, ve výrobě přístrojů atd.

Využití elektrovakuových přístrojů v oblasti energetiky spočívá v přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud (usměrnění), přeměně stejnosměrného proudu na střídavý proud (invertování), změně frekvence, úpravě otáček elektromotorů, automatickém řízení napětí střídavého proudu a generátory stejnosměrného proudu, zapínání a vypínání významného výkonu při elektrickém svařování, ovládání osvětlení.

Elektronky — historie, princip činnosti, konstrukce a aplikace

Využití interakce záření s elektrony vedlo k vytvoření fotočlánků a světelných zdrojů s plynovou výbojkou: neonové, rtuťové a zářivky. Elektronické ovládání bylo nanejvýš důležité v divadelních a průmyslových schématech osvětlení.

V současné době všechny tyto procesy využívají polovodičová elektronická zařízení a používají se pro osvětlení LED technologie.