Nguồn điện tử, loại bức xạ điện tử, nguyên nhân ion hóa

Để hiểu và giải thích được nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện tử, cần trả lời câu hỏi sau: các electron được tách ra như thế nào, chúng tôi sẽ giải đáp trong bài viết này.

Theo lý thuyết hiện đại, nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và tập trung gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử và các electron tích điện âm nằm xung quanh hạt nhân. Nguyên tử nói chung là trung hoà về điện, do đó điện tích của hạt nhân phải bằng điện tích của các êlectron xung quanh.

Vì tất cả các hóa chất được tạo thành từ các phân tử và các phân tử được tạo thành từ các nguyên tử, nên bất kỳ chất nào ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí đều là nguồn điện tử tiềm năng. Trên thực tế, cả ba trạng thái tổng hợp của vật chất đều được sử dụng trong các thiết bị kỹ thuật làm nguồn điện tử.

Một nguồn điện tử đặc biệt quan trọng là kim loại, thường được sử dụng cho mục đích này ở dạng dây hoặc ruy băng.

Câu hỏi đặt ra: nếu dây tóc như vậy có chứa các electron và nếu các electron này tương đối tự do, nghĩa là chúng có thể di chuyển ít nhiều tự do bên trong kim loại (điều này thực sự đúng như vậy, chúng tôi tin chắc rằng ngay cả một sự khác biệt tiềm năng rất nhỏ, áp dụng cho cả hai đầu của sợi dây như vậy hướng dòng êlectron dọc theo nó), thì tại sao êlectron không bay ra khỏi kim loại và ở điều kiện bình thường không tạo thành nguồn êlectron? Một câu trả lời đơn giản cho câu hỏi này có thể được đưa ra trên cơ sở lý thuyết tĩnh điện cơ bản.

Giả sử các electron rời khỏi kim loại. Sau đó, kim loại sẽ thu được điện tích dương. Vì các điện tích trái dấu hút nhau, nên các electron sẽ lại bị kim loại hút trừ khi một số tác động bên ngoài ngăn chặn điều này.

Có một số cách mà các electron trong kim loại có thể được cung cấp đủ năng lượng để rời khỏi kim loại:

1. Bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt là sự phát xạ của các electron từ các vật thể nóng sáng. Bức xạ nhiệt điện tử đã được nghiên cứu trong chất rắn và đặc biệt là trong kim loại và chất bán dẫn liên quan đến việc sử dụng chúng làm vật liệu cho catốt nhiệt điện tử của các thiết bị điện tử và bộ chuyển đổi nhiệt thành điện.

Hiện tượng mất điện âm từ các vật thể khi bị nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt trắng đã được biết đến từ cuối thế kỷ 18. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) và những người khác đã thiết lập một số định luật định tính của hiện tượng này. Đến những năm 1930, mối quan hệ phân tích chính giữa số lượng electron phát ra, nhiệt độ cơ thể và chức năng làm việc đã được xác định.

Dòng điện chạy qua dây tóc khi có điện áp đặt vào hai đầu dây tóc sẽ làm dây tóc nóng lên. Khi nhiệt độ của kim loại đủ cao, các electron sẽ rời khỏi bề mặt kim loại và thoát ra không gian xung quanh.

Kim loại được sử dụng theo cách này được gọi là cực âm nhiệt điện tử và sự giải phóng các electron theo cách này được gọi là bức xạ nhiệt điện tử. Các quá trình gây ra bức xạ nhiệt tương tự như các quá trình bay hơi của các phân tử từ bề mặt chất lỏng.

Trong cả hai trường hợp, một số công phải được thực hiện.Trong trường hợp chất lỏng, công này là ẩn nhiệt hóa hơi, bằng năng lượng cần thiết để chuyển một gam chất từ ​​trạng thái lỏng sang trạng thái khí.

Trong trường hợp bức xạ nhiệt, cái gọi là hàm công việc là năng lượng tối thiểu cần thiết để làm bay hơi một electron khỏi kim loại. Bộ khuếch đại chân không trước đây được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến thường có cực âm nhiệt.

2. Quang phát xạ

Tác động của ánh sáng lên bề mặt của các vật liệu khác nhau cũng dẫn đến sự giải phóng các electron. Năng lượng ánh sáng được sử dụng để cung cấp thêm năng lượng cần thiết cho các electron của chất để chúng có thể rời khỏi kim loại.

Vật liệu được sử dụng làm nguồn electron trong phương pháp này được gọi là catốt quang điện và quá trình giải phóng các electron được gọi là phát xạ quang điện hoặc quang điện tử… Cách giải phóng electron này là cơ sở của mắt điện— tế bào quang điện.

3. Khí thải thứ cấp

Khi các hạt (electron hoặc ion dương) đập vào bề mặt kim loại, một phần động năng của các hạt này hoặc toàn bộ động năng của chúng có thể được truyền cho một hoặc nhiều electron của kim loại, do đó chúng thu được năng lượng đủ để rời đi. kim loại. Quá trình này được gọi là phát xạ điện tử thứ cấp.

4. Khí thải ô tô điện tử

Nếu một điện trường rất mạnh tồn tại gần bề mặt kim loại, nó có thể kéo các electron ra khỏi kim loại. Hiện tượng này gọi là phát xạ trường hay phát xạ lạnh.

Thủy ngân là kim loại duy nhất được sử dụng rộng rãi làm cực âm phát xạ trường (trong các bộ chỉnh lưu thủy ngân cũ). Catốt thủy ngân cho phép mật độ dòng điện rất cao và cho phép thiết kế bộ chỉnh lưu lên tới 3000 kW.

Các electron cũng có thể được giải phóng khỏi một chất khí theo nhiều cách. Quá trình mà một nguyên tử mất đi một electron được gọi là quá trình ion hóa.… Nguyên tử bị mất electron gọi là ion dương.

Quá trình ion hóa có thể diễn ra do những lý do sau:

1. Bắn phá điện tử

Một electron tự do trong đèn chứa đầy khí có thể, do điện trường, thu được năng lượng đủ để ion hóa một phân tử hoặc nguyên tử khí. Quá trình này có thể có tính chất tuyết lở, vì sau khi loại bỏ một electron khỏi nguyên tử, cả hai electron trong tương lai, khi chúng va chạm với các hạt khí, có thể giải phóng các electron mới.

Các electron sơ cấp có thể được giải phóng khỏi chất rắn bằng bất kỳ phương pháp nào đã thảo luận ở trên và vai trò của chất rắn có thể được thực hiện bởi cả lớp vỏ chứa khí và bởi bất kỳ điện cực nào nằm bên trong đèn.Các electron sơ cấp cũng có thể được tạo ra bởi bức xạ quang điện.

2. Ion hóa quang điện

Nếu khí tiếp xúc với bức xạ nhìn thấy hoặc không nhìn thấy, thì năng lượng của bức xạ đó có thể đủ (khi được hấp thụ bởi một nguyên tử) để đánh bật một số electron. Cơ chế này đóng một vai trò quan trọng trong một số loại xả khí. Ngoài ra, hiệu ứng quang điện có thể xảy ra trong chất khí do sự phát xạ của các hạt bị kích thích từ chính chất khí đó.

3. Bắn phá ion dương

Một ion dương đập vào một phân tử khí trung tính có thể giải phóng một electron, như trong trường hợp bắn phá electron.

4. Ion hóa nhiệt

Nếu nhiệt độ của khí đủ cao, thì một số electron tạo nên các phân tử của nó có thể thu đủ năng lượng để rời khỏi nguyên tử mà chúng thuộc về. Hiện tượng này tương tự như bức xạ nhiệt điện từ kim loại, loại phát xạ này chỉ đóng vai trò trong trường hợp hồ quang mạnh ở áp suất cao.

Vai trò quan trọng nhất được thực hiện bởi quá trình ion hóa khí do bắn phá điện tử. Quá trình ion hóa quang điện rất quan trọng trong một số kiểu phóng điện khí. Các quy trình còn lại ít quan trọng hơn.

Cho đến tương đối gần đây, các thiết bị chân không với nhiều kiểu dáng khác nhau đã được sử dụng ở khắp mọi nơi: trong công nghệ truyền thông (đặc biệt là truyền thông vô tuyến), trong radar, năng lượng, chế tạo dụng cụ, v.v.

Việc sử dụng các thiết bị chân không điện trong lĩnh vực năng lượng bao gồm chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (chỉnh lưu), chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều (đảo ngược), thay đổi tần số, điều chỉnh tốc độ của động cơ điện, tự động điều khiển điện áp của dòng điện xoay chiều và máy phát điện một chiều, bật và tắt nguồn đáng kể trong hàn điện, điều khiển ánh sáng.

Ống điện tử — Lịch sử, Nguyên tắc Hoạt động, Thiết kế và Ứng dụng

Việc sử dụng sự tương tác của bức xạ với các điện tử đã dẫn đến việc tạo ra các tế bào quang điện và nguồn sáng phóng điện khí: đèn neon, thủy ngân và đèn huỳnh quang. Điều khiển điện tử là vô cùng quan trọng trong các sơ đồ chiếu sáng sân khấu và công nghiệp.

Hiện tại, tất cả các quy trình này đều sử dụng thiết bị điện tử bán dẫn và được sử dụng để chiếu sáng công nghệ LED.