מקורות אלקטרונים, סוגי קרינת אלקטרונים, גורמים ליינון

על מנת להבין ולהסביר את עקרונות הפעולה של מכשירים אלקטרוניים, יש צורך לענות על השאלה הבאה: כיצד מופרדים אלקטרונים?נשיב במאמר זה.

לפי התיאוריה המודרנית, האטום מורכב מגרעין, בעל מטען חיובי ומרכז בעצמו כמעט את כל מסת האטום, ומאלקטרונים בעלי מטען שלילי הממוקמים סביב הגרעין. האטום בכללותו הוא ניטרלי מבחינה חשמליתלכן, מטען הגרעין חייב להיות שווה למטען האלקטרונים שמסביב.

מכיוון שכל הכימיקלים עשויים ממולקולות, והמולקולות עשויות מאטומים, כל חומר במצב מוצק, נוזלי או גזי הוא מקור פוטנציאלי לאלקטרונים. למעשה, כל שלושת המצבים המצטברים של החומר משמשים במכשירים טכניים כמקור לאלקטרונים.

מקור חשוב במיוחד לאלקטרונים הם מתכות, המשמשות בדרך כלל למטרה זו בצורה של חוטים או סרטים.

נשאלת השאלה: אם נימה כזו מכילה אלקטרונים ואם האלקטרונים הללו חופשיים יחסית, כלומר, הם יכולים לנוע פחות או יותר בחופשיות בתוך המתכת (שזה אכן כך, אנו משוכנעים שאפילו הבדל פוטנציאל קטן מאוד, מוחל על שני הקצוות של חוט כזה מכוון את זרימת האלקטרונים לאורכו), אז למה האלקטרונים לא עפים החוצה מהמתכת ובתנאים רגילים לא יוצרים מקור לאלקטרונים? תשובה פשוטה לשאלה זו יכולה להינתן על בסיס התיאוריה האלקטרוסטטית היסודית.

נניח שהאלקטרונים עוזבים את המתכת. אז המתכת צריכה לרכוש מטען חיובי. מכיוון שמטענים של סימנים מנוגדים מושכים זה את זה, האלקטרונים יימשכו שוב למתכת אלא אם השפעה חיצונית כלשהי מונעת זאת.

ישנן מספר דרכים שבהן ניתן לתת לאלקטרונים במתכת מספיק אנרגיה כדי לעזוב את המתכת:

1. קרינה תרמית

קרינה תרמיונית היא פליטת אלקטרונים מגופי ליבון. קרינה תרמיונית נחקרה במוצקים ובמיוחד במתכות ובמוליכים למחצה בקשר לשימוש שלהם כחומר לקתודות תרמיוניות של מכשירים אלקטרוניים וממירי חום לחשמל.

התופעה של אובדן חשמל שלילי מגופים בחימום לטמפרטורה מעל חום לבן ידועה מאז סוף המאה ה-18. V. V. Petrov (1812), תומס אדיסון (1889) ואחרים קבעו מספר חוקים איכותיים של תופעה זו. עד שנות ה-30, נקבעו הקשרים האנליטיים העיקריים בין מספר האלקטרונים הנפלטים, טמפרטורת הגוף ותפקוד העבודה.

הזרם הזורם דרך החוט כאשר מתח מופעל על קצותיו מחמם את החוט. כאשר הטמפרטורה של המתכת גבוהה מספיק, האלקטרונים יעזבו את פני המתכת ויברחו לחלל שמסביב.

המתכת המשמשת בדרך זו נקראת קתודה תרמיונית, ושחרור אלקטרונים בדרך זו נקרא קרינה תרמית. התהליכים הגורמים לקרינה תרמיונית דומים לתהליכי אידוי של מולקולות מפני השטח של נוזל.

בשני המקרים יש לבצע עבודה מסוימת, במקרה של נוזל, עבודה זו היא חום האידוי הסמוי, השווה לאנרגיה הנדרשת כדי לשנות גרם אחד של החומר ממצב נוזלי לגז.

במקרה של קרינה תרמיונית, מה שנקרא פונקציית העבודה היא האנרגיה המינימלית הנדרשת לאידוי אלקטרון אחד מהמתכת. למגברי ואקום ששימשו בעבר בהנדסת רדיו היו בדרך כלל קתודות תרמיוניות.

2. Photoemission

פעולת האור על פני השטח של חומרים שונים גורמת גם לשחרור אלקטרונים. אנרגיית האור משמשת כדי לספק לאלקטרונים של החומר את האנרגיה הנוספת הדרושה כדי שיוכלו לעזוב את המתכת.

החומר המשמש כמקור לאלקטרונים בשיטה זו נקרא קתודה פוטו-וולטאית, ותהליך שחרור האלקטרונים ידוע בשם פליטות פוטו-וולטאיות או פוטואלקטרון… דרך זו של שחרור אלקטרונים היא הבסיס של העין החשמלית— תא צילום.

3. פליטות משניות

כאשר חלקיקים (אלקטרונים או יונים חיוביים) פוגעים במשטח מתכת, חלק מהאנרגיה הקינטית של חלקיקים אלו או כל האנרגיה הקינטית שלהם יכולה לעבור לאלקטרונים אחד או יותר של המתכת, וכתוצאה מכך הם רוכשים אנרגיה מספיקה כדי לצאת המתכת. תהליך זה נקרא פליטת אלקטרונים משנית.

4. פליטות אוטומטיות

אם קיים שדה חשמלי חזק מאוד ליד פני המתכת, הוא יכול למשוך אלקטרונים מהמתכת. תופעה זו נקראת פליטת שדה או פליטה קרה.

כספית היא המתכת היחידה בשימוש נרחב כקתודה לפליטת שדה (במיישרי הכספית הישנים). קתודות כספית מאפשרות צפיפות זרם גבוהה מאוד ומאפשרות תכנון של מיישרים עד 3000 קילוואט.

אלקטרונים יכולים להשתחרר גם מחומר גזי בכמה דרכים. התהליך שבו אטום מאבד אלקטרון נקרא יינון.... אטום שאיבד אלקטרון נקרא יון חיובי.

תהליך היינון יכול להתרחש בגלל הסיבות הבאות:

1. הפצצה אלקטרונית

אלקטרון חופשי במנורה מלאה בגז יכול, עקב השדה החשמלי, לרכוש אנרגיה מספיקה כדי ליינן מולקולת גז או אטום. לתהליך זה יכול להיות אופי מפולת, שכן לאחר הוצאת אלקטרון מאטום, שני האלקטרונים בעתיד, כאשר הם יתנגשו בחלקיקי גז, יכולים לשחרר אלקטרונים חדשים.

אלקטרונים ראשוניים יכולים להשתחרר ממוצק בכל אחת מהשיטות שנדונו לעיל, ואת התפקיד של מוצק ניתן למלא הן על ידי הקליפה שבה הגז סגור, והן על ידי כל אחת מהאלקטרודות הממוקמות בתוך המנורה.אלקטרונים ראשוניים יכולים להיווצר גם על ידי קרינה פוטו-וולטאית.

2. יינון פוטו-אלקטרי

אם הגז נחשף לקרינה גלויה או בלתי נראית, אזי האנרגיה של קרינה זו עשויה להספיק (כאשר נספגת על ידי אטום) כדי לדפוק חלק מהאלקטרונים. מנגנון זה ממלא תפקיד חשוב בסוגים מסוימים של פריקת גז. בנוסף, אפקט פוטו-אלקטרי יכול להתרחש בגז עקב פליטת חלקיקים נרגשים מהגז עצמו.

3. הפצצת יונים חיובית

יון חיובי הפוגע במולקולת גז נייטרלי יכול לשחרר אלקטרון, כמו במקרה של הפצצת אלקטרונים.

4. יינון תרמי

אם הטמפרטורה של הגז גבוהה מספיק, אז חלק מהאלקטרונים המרכיבים את המולקולות שלו יכולים לרכוש מספיק אנרגיה כדי לעזוב את האטומים שאליהם הם שייכים. תופעה זו דומה לקרינה תרמו-אלקטרית ממתכת.פליטה מסוג זה משחקת תפקיד רק במקרה של קשת חזקה בלחץ גבוה.

את התפקיד המשמעותי ביותר ממלא יינון הגז כתוצאה מהפצצת אלקטרונים. יינון פוטו-אלקטרי חשוב בסוגים מסוימים של פריקת גז. התהליכים הנותרים פחות חשובים.

עד לאחרונה יחסית, מכשירי ואקום בעיצובים שונים היו בשימוש בכל מקום: בטכנולוגיות תקשורת (בעיקר תקשורת רדיו), במכ"מים, באנרגיה, בייצור מכשירים וכו'.

השימוש במכשירי אלקטרווואקום בתחום האנרגיה מורכב מהמרת זרם חילופין לזרם ישר (תיקון), המרת זרם ישר לזרם חילופין (היפוך), שינוי התדר, התאמת מהירות מנועים חשמליים, שליטה אוטומטית במתח זרם החילופין. ומחוללי זרם ישר, הפעלה וכיבוי של כוח משמעותי בריתוך חשמלי, בקרת תאורה.

צינורות אלקטרונים - היסטוריה, עקרון הפעולה, עיצוב ויישום

השימוש באינטראקציה של קרינה עם אלקטרונים הוביל ליצירת תאים פוטו ומקורות אור פריקת גז: ניאון, כספית ומנורות פלורסנט. בקרה אלקטרונית הייתה בעלת חשיבות עליונה בתוכניות תאורה תיאטרליות ותעשייתיות.

נכון לעכשיו, כל התהליכים הללו משתמשים במכשירים אלקטרוניים מוליכים למחצה ומשמשים לתאורה טכנולוגיית LED.