Sorgenti di elettroni, tipi di radiazione elettronica, cause di ionizzazione
Per comprendere e spiegare i principi di funzionamento dei dispositivi elettronici, è necessario rispondere alla seguente domanda: come vengono separati gli elettroni Risponderemo in questo articolo.
Secondo la teoria moderna, l'atomo è costituito da un nucleo, che ha una carica positiva e concentra in sé quasi l'intera massa dell'atomo, e da elettroni caricati negativamente situati attorno al nucleo. L'atomo nel suo insieme è elettricamente neutro, quindi, la carica del nucleo deve essere uguale alla carica degli elettroni circostanti.
Poiché tutte le sostanze chimiche sono costituite da molecole e le molecole sono costituite da atomi, qualsiasi sostanza allo stato solido, liquido o gassoso è una potenziale fonte di elettroni. In effetti, tutti e tre gli stati aggregati della materia sono utilizzati nei dispositivi tecnici come fonte di elettroni.
Una fonte particolarmente importante di elettroni sono i metalli, che vengono solitamente utilizzati per questo scopo sotto forma di fili o nastri.
La domanda sorge spontanea: se un tale filamento contiene elettroni e se questi elettroni sono relativamente liberi, cioè possono muoversi più o meno liberamente all'interno del metallo (che sia effettivamente così, siamo convinti che anche una piccolissima differenza di potenziale, applicato a entrambe le estremità di un tale filo dirige il flusso di elettroni lungo di esso), allora perché gli elettroni non volano fuori dal metallo e in condizioni normali non formano una fonte di elettroni? Una semplice risposta a questa domanda può essere data sulla base della teoria elettrostatica elementare.
Supponiamo che gli elettroni lascino il metallo. Quindi il metallo dovrebbe acquisire una carica positiva. Poiché le cariche di segno opposto si attraggono, gli elettroni saranno nuovamente attratti dal metallo a meno che qualche influenza esterna non lo impedisca.
Esistono diversi modi in cui gli elettroni in un metallo possono ricevere energia sufficiente per lasciare il metallo:
1. Radiazione termoionica
La radiazione termoionica è l'emissione di elettroni da corpi incandescenti. La radiazione termoionica è stata studiata nei solidi e in particolare nei metalli e nei semiconduttori in relazione al loro utilizzo come materiale per catodi termoionici di dispositivi elettronici e convertitori calore-elettricità.
Il fenomeno della perdita di elettricità negativa dai corpi quando vengono riscaldati a una temperatura superiore al calore bianco è noto dalla fine del XVIII secolo. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) e altri stabilirono una serie di leggi qualitative di questo fenomeno. Negli anni '30 furono determinate le principali relazioni analitiche tra il numero di elettroni emessi, la temperatura corporea e la funzione lavorativa.
La corrente che scorre attraverso il filamento quando viene applicata una tensione alle sue estremità riscalda il filamento. Quando la temperatura del metallo è abbastanza alta, gli elettroni lasceranno la superficie del metallo e fuggiranno nello spazio circostante.
Il metallo utilizzato in questo modo è chiamato catodo termoionico e il rilascio di elettroni in questo modo è chiamato radiazione termoionica. I processi che causano la radiazione termoionica sono simili ai processi di evaporazione delle molecole dalla superficie di un liquido.
In entrambi i casi è necessario compiere un lavoro, che nel caso di un liquido è il calore latente di vaporizzazione, pari all'energia necessaria per trasformare un grammo di sostanza dallo stato liquido a quello gassoso.
Nel caso della radiazione termoionica, la cosiddetta funzione lavoro è l'energia minima richiesta per far evaporare un elettrone dal metallo. Gli amplificatori a vuoto precedentemente utilizzati nell'ingegneria radiofonica di solito avevano catodi termoionici.
2. Fotoemissione
L'azione della luce sulla superficie di vari materiali provoca anche il rilascio di elettroni. L'energia luminosa viene utilizzata per fornire agli elettroni della sostanza l'energia extra necessaria in modo che possano lasciare il metallo.
Il materiale utilizzato come fonte di elettroni in questo metodo è chiamato catodo fotovoltaico e il processo di rilascio di elettroni è noto come emissioni fotovoltaiche o fotoelettroniche… Questo modo di rilasciare elettroni è la base dell'occhio elettrico— fotocellula.
3. Emissioni secondarie
Quando le particelle (elettroni o ioni positivi) colpiscono una superficie metallica, parte dell'energia cinetica di queste particelle o tutta la loro energia cinetica può essere trasferita a uno o più elettroni del metallo, per cui acquisiscono energia sufficiente per uscire il metallo. Questo processo è chiamato emissione di elettroni secondari.
4. Emissioni autoelettroniche
Se esiste un campo elettrico molto forte vicino alla superficie del metallo, può allontanare gli elettroni dal metallo. Questo fenomeno è chiamato emissione di campo o emissione fredda.
Il mercurio è l'unico metallo ampiamente utilizzato come catodo a emissione di campo (nei vecchi raddrizzatori al mercurio). I catodi di mercurio consentono densità di corrente molto elevate e consentono la progettazione di raddrizzatori fino a 3000 kW.
Gli elettroni possono anche essere rilasciati da una sostanza gassosa in diversi modi. Il processo mediante il quale un atomo perde un elettrone è chiamato ionizzazione.… Un atomo che ha perso un elettrone è chiamato ione positivo.
Il processo di ionizzazione può avvenire per i seguenti motivi:
1. Bombardamento elettronico
Un elettrone libero in una lampada a gas può, a causa del campo elettrico, acquisire energia sufficiente per ionizzare una molecola o un atomo di gas. Questo processo può avere un carattere a valanga, poiché dopo aver eliminato un elettrone da un atomo, entrambi gli elettroni in futuro, quando si scontrano con particelle di gas, possono rilasciare nuovi elettroni.
Gli elettroni primari possono essere rilasciati da un solido con uno qualsiasi dei metodi discussi sopra e il ruolo di un solido può essere svolto sia dal guscio in cui è racchiuso il gas, sia da uno qualsiasi degli elettrodi situati all'interno della lampada.Gli elettroni primari possono anche essere generati dalla radiazione fotovoltaica.
2. Ionizzazione fotoelettrica
Se il gas è esposto a radiazioni visibili o invisibili, allora l'energia di quella radiazione può essere sufficiente (quando assorbita da un atomo) per staccare alcuni degli elettroni. Questo meccanismo svolge un ruolo importante in alcuni tipi di scarico del gas. Inoltre, in un gas può verificarsi un effetto fotoelettrico dovuto all'emissione di particelle eccitate dal gas stesso.
3. Bombardamento di ioni positivi
Uno ione positivo che colpisce una molecola di gas neutro può rilasciare un elettrone, come nel caso del bombardamento elettronico.
4. Ionizzazione termica
Se la temperatura del gas è sufficientemente alta, allora alcuni degli elettroni che compongono le sue molecole possono acquisire energia sufficiente per lasciare gli atomi a cui appartengono. Questo fenomeno è simile alla radiazione termoelettrica del metallo, questo tipo di emissione ha un ruolo solo nel caso di un potente arco ad alta pressione.
Il ruolo più significativo è svolto dalla ionizzazione del gas a seguito del bombardamento di elettroni. La ionizzazione fotoelettrica è importante in alcuni tipi di scarica di gas. I restanti processi sono meno importanti.
Fino a tempi relativamente recenti, i dispositivi del vuoto di vari design venivano utilizzati ovunque: nelle tecnologie di comunicazione (in particolare le comunicazioni radio), nei radar, nell'energia, nella costruzione di strumenti, ecc.
L'uso di dispositivi elettrovuoto nel campo dell'energia consiste nel convertire la corrente alternata in corrente continua (rettifica), convertire la corrente continua in corrente alternata (inversione), cambiare la frequenza, regolare la velocità dei motori elettrici, controllare automaticamente la tensione della corrente alternata e generatori di corrente continua, accensione e spegnimento di potenza significativa nella saldatura elettrica, controllo dell'illuminazione.
Tubi elettronici: storia, principio di funzionamento, progettazione e applicazione
L'utilizzo dell'interazione della radiazione con gli elettroni ha portato alla creazione di fotocellule e sorgenti luminose a scarica di gas: neon, mercurio e lampade fluorescenti. Il controllo elettronico era della massima importanza negli schemi di illuminazione teatrale e industriale.
Attualmente, tutti questi processi utilizzano dispositivi elettronici a semiconduttore e vengono utilizzati per l'illuminazione Tecnologia LED.