Fonts d'electrons, tipus de radiació electrònica, causes de la ionització
Per entendre i explicar els principis de funcionament dels dispositius electrònics, cal respondre a la següent pregunta: com es separen els electrons?, respondrem en aquest article.
Segons la teoria moderna, l'àtom està format per un nucli, que té una càrrega positiva i concentra en si mateix gairebé tota la massa de l'àtom, i electrons carregats negativament situats al voltant del nucli. L'àtom en conjunt és elèctricament neutre, per tant, la càrrega del nucli ha de ser igual a la càrrega dels electrons circumdants.
Com que tots els productes químics estan fets de molècules i les molècules estan fetes d'àtoms, qualsevol substància en estat sòlid, líquid o gasós és una font potencial d'electrons. De fet, els tres estats agregats de la matèria s'utilitzen en dispositius tècnics com a font d'electrons.
Una font d'electrons especialment important són els metalls, que s'utilitzen habitualment amb aquesta finalitat en forma de filferros o cintes.
Es planteja la pregunta: si aquest filament conté electrons i si aquests electrons són relativament lliures, és a dir, es poden moure més o menys lliurement dins del metall (que aquest és realment el cas, estem convençuts que fins i tot una diferència de potencial molt petita, aplicat als dos extrems d'aquest fil dirigeix el flux d'electrons al seu llarg), aleshores, per què els electrons no volen fora del metall i en condicions normals no formen una font d'electrons? Es pot donar una resposta senzilla a aquesta pregunta sobre la base de la teoria electrostàtica elemental.
Suposem que els electrons surten del metall. Aleshores, el metall hauria d'adquirir una càrrega positiva. Com que les càrregues de signes oposats s'atreuen, els electrons tornaran a ser atrets pel metall tret que alguna influència externa ho impedeixi.
Hi ha diverses maneres en què els electrons d'un metall poden rebre prou energia per abandonar el metall:
1. Radiació termoiònica
La radiació termoiònica és l'emissió d'electrons dels cossos incandescents. La radiació termoiònica s'ha estudiat en sòlids i especialment en metalls i semiconductors en relació amb el seu ús com a material per a càtodes termoiònics de dispositius electrònics i convertidors de calor a electricitat.
El fenomen de pèrdua d'electricitat negativa dels cossos quan s'escalfa a una temperatura superior a la calor blanca es coneix des de finals del segle XVIII. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) i altres van establir una sèrie de lleis qualitatives d'aquest fenomen. A la dècada de 1930 es van determinar les principals relacions analítiques entre el nombre d'electrons emesos, la temperatura corporal i la funció de treball.
El corrent que travessa el filament quan s'aplica una tensió als seus extrems escalfa el filament. Quan la temperatura del metall és prou alta, els electrons abandonaran la superfície del metall i s'escaparan a l'espai circumdant.
El metall utilitzat d'aquesta manera s'anomena càtode termoiònic, i l'alliberament d'electrons d'aquesta manera s'anomena radiació termoiònica. Els processos que provoquen la radiació termoiònica són similars als processos d'evaporació de molècules de la superfície d'un líquid.
En ambdós casos s'ha de fer una mica de treball.En el cas d'un líquid, aquest treball és la calor latent de vaporització, igual a l'energia necessària per canviar un gram de la substància de l'estat líquid a l'estat gasós.
En el cas de la radiació termoiònica, l'anomenada funció de treball és l'energia mínima necessària per evaporar un electró del metall. Els amplificadors de buit utilitzats anteriorment en enginyeria de ràdio normalment tenien càtodes termoiònics.
2. Fotoemissió
L'acció de la llum a la superfície de diversos materials també provoca l'alliberament d'electrons. L'energia lluminosa s'utilitza per proporcionar als electrons de la substància l'energia addicional necessària perquè puguin sortir del metall.
El material utilitzat com a font d'electrons en aquest mètode s'anomena càtode fotovoltaic i el procés d'alliberament d'electrons es coneix com emissions fotovoltaiques o fotoelectròniques... Aquesta manera d'alliberar electrons és la base de l'ull elèctric: fotocèl·lula.
3. Emissions secundàries
Quan les partícules (electrons o ions positius) xoquen contra una superfície metàl·lica, part de l'energia cinètica d'aquestes partícules o tota la seva energia cinètica es pot transferir a un o més electrons del metall, com a conseqüència de la qual cosa adquireixen energia suficient per sortir. el metall. Aquest procés s'anomena emissió d'electrons secundaris.
4. Emissions autoelectròniques
Si hi ha un camp elèctric molt fort a prop de la superfície del metall, pot allunyar els electrons del metall. Aquest fenomen s'anomena emissió de camp o emissió en fred.
El mercuri és l'únic metall àmpliament utilitzat com a càtode d'emissió de camp (en els antics rectificadors de mercuri). Els càtodes de mercuri permeten densitats de corrent molt elevades i permeten dissenyar rectificadors de fins a 3000 kW.
Els electrons també es poden alliberar d'una substància gasosa de diverses maneres. El procés pel qual un àtom perd un electró s'anomena ionització.… Un àtom que ha perdut un electró s'anomena ió positiu.
El procés d'ionització pot tenir lloc pels motius següents:
1. Bombardeig electrònic
Un electró lliure en una làmpada plena de gas pot, a causa del camp elèctric, adquirir energia suficient per ionitzar una molècula o àtom de gas. Aquest procés pot tenir un caràcter d'allau, ja que després de treure un electró d'un àtom, ambdós electrons en el futur, quan xoquen amb partícules de gas, poden alliberar nous electrons.
Els electrons primaris es poden alliberar d'un sòlid mitjançant qualsevol dels mètodes comentats anteriorment, i el paper d'un sòlid es pot jugar tant per la carcassa en què està tancat el gas com per qualsevol dels elèctrodes situats a l'interior de la làmpada.Els electrons primaris també es poden generar per radiació fotovoltaica.
2. Ionització fotoelèctrica
Si el gas està exposat a radiació visible o invisible, llavors l'energia d'aquesta radiació pot ser suficient (quan és absorbida per un àtom) per eliminar alguns dels electrons. Aquest mecanisme té un paper important en certs tipus de descàrrega de gas. A més, es pot produir un efecte fotoelèctric en un gas a causa de l'emissió de partícules excitades del propi gas.
3. Bombardeig d'ions positius
Un ió positiu que colpeja una molècula de gas neutre pot alliberar un electró, com en el cas del bombardeig electrònic.
4. Ionització tèrmica
Si la temperatura del gas és prou alta, aleshores alguns dels electrons que formen les seves molècules poden adquirir prou energia per deixar els àtoms als quals pertanyen. Aquest fenomen és similar a la radiació termoelèctrica del metall, aquest tipus d'emissió només juga un paper en el cas d'un arc potent a alta pressió.
El paper més important el juga la ionització del gas com a resultat del bombardeig electrònic. La ionització fotoelèctrica és important en alguns tipus de descàrrega de gas. La resta de processos són menys importants.
Fins fa relativament poc, s'utilitzaven dispositius de buit de diferents dissenys a tot arreu: en tecnologies de comunicació (especialment radiocomunicacions), en radars, en energia, en la fabricació d'instruments, etc.
L'ús d'aparells d'electrobuit en el camp de l'energia consisteix a convertir el corrent altern en corrent continu (rectificació), convertir el corrent continu en corrent altern (invertir), canviar la freqüència, ajustar la velocitat dels motors elèctrics, controlar automàticament la tensió del corrent altern. i generadors de corrent continu, encendre i apagar una potència important en soldadura elèctrica, control d'il·luminació.
Tubs electrònics — Història, principi de funcionament, disseny i aplicació
L'ús de la interacció de la radiació amb els electrons va provocar la creació de fotocèl·lules i fonts de llum de descàrrega de gas: llums de neó, mercuri i fluorescents. El control electrònic va ser de la màxima importància en els esquemes d'il·luminació teatral i industrial.
Actualment, tots aquests processos utilitzen dispositius electrònics semiconductors i s'utilitzen per a il·luminació Tecnologia LED.