Bronnen van elektronen, soorten elektronenstraling, oorzaken van ionisatie

Om de werkingsprincipes van elektronische apparaten te begrijpen en uit te leggen, is het noodzakelijk om de volgende vraag te beantwoorden: hoe worden elektronen gescheiden?We zullen in dit artikel antwoorden.

Volgens de moderne theorie bestaat het atoom uit een kern, die een positieve lading heeft en bijna de gehele massa van het atoom in zich concentreert, en negatief geladen elektronen rond de kern. Het atoom als geheel is elektrisch neutraaldaarom moet de lading van de kern gelijk zijn aan de lading van de omringende elektronen.

Aangezien alle chemicaliën zijn gemaakt van moleculen en moleculen zijn gemaakt van atomen, is elke stof in vaste, vloeibare of gasvormige toestand een potentiële bron van elektronen. In feite worden alle drie de geaggregeerde toestanden van materie in technische apparaten gebruikt als een bron van elektronen.

Een bijzonder belangrijke bron van elektronen zijn metalen, die hiervoor meestal in de vorm van draden of linten worden gebruikt.

De vraag rijst: als zo'n gloeidraad elektronen bevat en als deze elektronen relatief vrij zijn, dat wil zeggen dat ze min of meer vrij kunnen bewegen in het metaal (dat dit inderdaad het geval is, zijn we ervan overtuigd dat zelfs een heel klein potentiaalverschil, toegepast op beide uiteinden van zo'n draad de stroom van elektronen erlangs stuurt), waarom vliegen de elektronen dan niet uit het metaal en vormen ze onder normale omstandigheden geen elektronenbron? Een eenvoudig antwoord op deze vraag kan worden gegeven op basis van de elementaire elektrostatische theorie.

Stel dat de elektronen het metaal verlaten. Dan zou het metaal een positieve lading moeten krijgen. Omdat ladingen met tegengestelde tekens elkaar aantrekken, zullen de elektronen weer aangetrokken worden door het metaal, tenzij een invloed van buitenaf dit verhindert.

Er zijn verschillende manieren waarop elektronen in een metaal voldoende energie kunnen krijgen om het metaal te verlaten:

1. Thermionische straling

Thermionische straling is de emissie van elektronen uit gloeiende lichamen. Thermionische straling is bestudeerd in vaste stoffen en vooral in metalen en halfgeleiders in verband met hun gebruik als materiaal voor thermionische kathodes van elektronische apparaten en warmte-naar-elektriciteitsomzetters.

Het fenomeen van verlies van negatieve elektriciteit uit lichamen bij verhitting tot een temperatuur boven witte hitte is bekend sinds het einde van de 18e eeuw. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) en anderen stelden een aantal kwalitatieve wetten van dit fenomeen vast. Tegen de jaren dertig werden de belangrijkste analytische relaties tussen het aantal uitgezonden elektronen, lichaamstemperatuur en werkfunctie bepaald.

De stroom die door de gloeidraad stroomt wanneer er spanning op de uiteinden wordt gezet, verwarmt de gloeidraad. Wanneer de temperatuur van het metaal hoog genoeg is, zullen de elektronen het oppervlak van het metaal verlaten en in de omringende ruimte ontsnappen.

Het metaal dat op deze manier wordt gebruikt, wordt een thermionische kathode genoemd en het vrijkomen van elektronen op deze manier wordt thermionische straling genoemd. De processen die thermische straling veroorzaken, zijn vergelijkbaar met de processen van verdamping van moleculen van het oppervlak van een vloeistof.

In beide gevallen moet er enige arbeid worden verricht.In het geval van een vloeistof is deze arbeid de latente verdampingswarmte, gelijk aan de energie die nodig is om één gram van de stof van vloeibare naar gasvormige toestand te veranderen.

In het geval van thermionische straling is de zogenaamde werkfunctie de minimale energie die nodig is om één elektron uit het metaal te verdampen. Vacuümversterkers die voorheen in de radiotechniek werden gebruikt, hadden meestal thermionische kathoden.

2. Foto-emissie

De werking van licht op het oppervlak van verschillende materialen resulteert ook in het vrijkomen van elektronen. De lichtenergie wordt gebruikt om de elektronen van de stof van de nodige extra energie te voorzien zodat ze het metaal kunnen verlaten.

Het materiaal dat bij deze methode als elektronenbron wordt gebruikt, wordt een fotovoltaïsche kathode genoemd en het proces van het vrijgeven van elektronen staat bekend als fotovoltaïsche of foto-elektronenemissies… Deze manier van vrijgeven van elektronen is de basis van het elektrische oog— fotocel.

3. Secundaire emissies

Wanneer deeltjes (elektronen of positieve ionen) een metalen oppervlak raken, kan een deel van de kinetische energie van deze deeltjes of al hun kinetische energie worden overgedragen op één of meer elektronen van het metaal, waardoor ze voldoende energie krijgen om het metaal. Dit proces wordt secundaire elektronenemissie genoemd.

4. Auto-elektronische emissies

Als er een zeer sterk elektrisch veld bestaat nabij het oppervlak van het metaal, kan het elektronen wegtrekken van het metaal. Dit fenomeen wordt veldemissie of koude emissie genoemd.

Kwik is het enige metaal dat veel wordt gebruikt als veldemissiekathode (in de oude kwikgelijkrichters). Kwikkathodes maken zeer hoge stroomdichtheden mogelijk en maken het ontwerp van gelijkrichters tot 3000 kW mogelijk.

Elektronen kunnen ook op verschillende manieren uit een gasvormige substantie vrijkomen. Het proces waarbij een atoom een ​​elektron verliest, wordt ionisatie genoemd.… Een atoom dat een elektron heeft verloren, wordt een positief ion genoemd.

Het ionisatieproces kan om de volgende redenen plaatsvinden:

1. Elektronisch bombardement

Een vrij elektron in een met gas gevulde lamp kan door het elektrische veld voldoende energie krijgen om een ​​gasmolecuul of atoom te ioniseren. Dit proces kan een lawinekarakter hebben, aangezien beide elektronen, nadat ze een elektron uit een atoom hebben geslagen, in de toekomst, wanneer ze botsen met gasdeeltjes, nieuwe elektronen kunnen vrijgeven.

Primaire elektronen kunnen door een van de hierboven besproken methoden uit een vaste stof worden vrijgemaakt, en de rol van een vaste stof kan zowel worden gespeeld door de schaal waarin het gas is ingesloten, als door een van de elektroden die zich in de lamp bevinden.Primaire elektronen kunnen ook worden gegenereerd door fotovoltaïsche straling.

2. Foto-elektrische ionisatie

Als het gas wordt blootgesteld aan zichtbare of onzichtbare straling, kan de energie van die straling voldoende zijn (indien geabsorbeerd door een atoom) om een ​​deel van de elektronen af ​​te slaan. Dit mechanisme speelt een belangrijke rol bij bepaalde soorten gasontladingen. Bovendien kan in een gas een foto-elektrisch effect optreden door de emissie van geëxciteerde deeltjes uit het gas zelf.

3. Positief ionenbombardement

Een positief ion dat een neutraal gasmolecuul raakt, kan een elektron vrijgeven, zoals in het geval van een elektronenbombardement.

4. Thermische ionisatie

Als de temperatuur van het gas hoog genoeg is, kunnen sommige elektronen die deel uitmaken van de moleculen voldoende energie krijgen om de atomen te verlaten waartoe ze behoren. Dit fenomeen is vergelijkbaar met thermo-elektrische straling van metaal.Dit type emissie speelt alleen een rol bij een krachtige boog onder hoge druk.

De belangrijkste rol wordt gespeeld door de ionisatie van het gas als gevolg van elektronenbombardementen. Foto-elektrische ionisatie is belangrijk bij sommige soorten gasontlading. De overige processen zijn minder belangrijk.

Tot relatief kort geleden werden overal vacuümapparaten van verschillende ontwerpen gebruikt: in communicatietechnologieën (vooral radiocommunicatie), in radars, in energie, bij het maken van instrumenten, enz.

Het gebruik van elektrovacuümapparaten op het gebied van energie bestaat uit het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom (rectificatie), het omzetten van gelijkstroom in wisselstroom (inverteren), het veranderen van de frequentie, het aanpassen van de snelheid van elektromotoren, het automatisch regelen van de spanning van wisselstroom en gelijkstroomgeneratoren, in- en uitschakelen van aanzienlijk vermogen bij elektrisch lassen, verlichtingsregeling.

Elektronenbuizen - Geschiedenis, werkingsprincipe, ontwerp en toepassing

Het gebruik van de interactie van straling met elektronen leidde tot de creatie van fotocellen en gasontladingslichtbronnen: neon-, kwik- en fluorescentielampen. Elektronische regeling was van het grootste belang in theatrale en industriële verlichtingsschema's.

Momenteel gebruiken al deze processen elektronische halfgeleiderapparaten en worden ze gebruikt voor verlichting LED-technologie.