Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Основы электроники / Источники электронов, виды электронной эмиссии, причины ионизации


 

Источники электронов, виды электронной эмиссии, причины ионизации



Для того чтобы понять и объяснить принципы действия электронных приборов, необходимо ответить на следующий вопрос: каким образом электроны освобождаются? На него мы ответим в настоящем статье.

В соответствии с современной теорией атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд и сосредоточивающего в себе почти всю массу атома, и расположенных вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Атом как целое электрически нейтрален, поэтому заряд ядра должен равняться заряду окружающих его электронов.

Электронные индикаторы

Поскольку все химические вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов, то всякое вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии представляет собой потенциальный источник электронов. Действительно, все три агрегатных состояния вещества используются в технических приборах в качестве источника электронов.

Особенно важным источником электронов являются металлы, которые для этой цели обычно используются в виде проволок или лент.

Возникает вопрос: если такая нить содержит в себе электроны и если эти электроны сравнительно свободны, т. е. могут более или менее свободно перемещаться внутри металла (что это действительно так, мы убеждаемся на основании того, что даже весьма малая разность потенциалов, приложенная к двум концам такой нити, направляет поток электронов вдоль нее), то почему электроны не вылетают из металла и не образуют в обычных условиях источника электронов? Простой ответ на этот вопрос можно дать на основе элементарной электростатической теории.

Предположим, что электроны покидают металл. Тогда металл должен приобрести положительный заряд. Поскольку заряды противоположных знаков взаимно притягиваются, электроны снова притянутся к металлу, если только какое-нибудь внешнее воздействие не будет препятствовать этому.

Электронная лампа в работе

Существует несколько способов, с помощью которых электронам в металле можно сообщить энергию, достаточную для того, чтобы они покинули металл:

1. Термоэлектронная эмиссия

Ток, который течет по нити, когда к ее концам приложено напряжение, нагревает эту нить. Когда температура металла окажется достаточно высокой, электроны будут покидать поверхность металла и выходить в окружающее пространство.

Металл, используемый таким образом, носит название термоэлектронного катода, а освобождение электронов этим способом называется термоэлектронной эмиссией. Процессы, вызывающие термоэлектронную эмиссию, аналогичны процессам испарения молекул с поверхности жидкости.

Как в том, так и в другом случае должна быть затрачена некоторая работа. В случае жидкости эта работа представляет собой скрытую теплоту парообразования, равную энергии, необходимой для того, чтобы перевести один грамм вещества из жидкого в газообразное состояние.

В случае термоэлектронной эмиссии так называемая работа выхода представляет собой минимальную энергию, необходимую для того, чтобы испарить один электрон из металла. Вакуумные ампы, ранее применявшиеся в радиотехнике, обычно имели термоэлектронные катоды.

2. Фотоэмиссия

Действие света на поверхности различных материалов также приводит к освобождению электронов. Энергия света используется для сообщения электронам вещества необходимой добавочной энергии с тем, чтобы они могли покинуть металл.

Материал, применяемый в качестве источника электронов по этому способу, носит название фотоэлектрического катода, а процесс освобождения электронов известен как фотоэлектрическая или фотоэлектронная эмиссия. Этот способ освобождения электронов лежит в основе электрического глаза — фотоэлемента.

3. Вторичная эмиссия

При ударе частиц (электронов или положительных ионов) о металлическую поверхность часть кинетической энергии этих частиц или вся кинетическая энергия их может быть сообщена одному или нескольким электронам металла, в результате чего они приобретут энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл. Этот процесс называется вторичной электронной эмиссией.

4. Автоэлектронная эмиссия

Если вблизи поверхности металла существует весьма сильное электрическое поле, то оно может вырывать из металла электроны. Это явление называется автоэлектронной или холодной эмиссией.

Ртуть является единственным металлом, который широко используется в качестве катода с автоэлектронной эмиссией (в старых ртутных выпрямителях). Ртутные катоды допускают очень большие плотности тока и позволяют конструировать выпрямители на мощности до 3000 кВт.

Электронный ртутный выпрямитель

Из газообразного вещества электроны могут освобождаться также несколькими путями. Процесс, в результате которого атом теряет электрон, называется ионизацией. Атом, потерявший электрон, называется положительным ионом.

Процесс ионизации может иметь место в результате следующих причин:

1. Электронная бомбардировка

Свободный электрон в газонаполненной лампе может приобрести за счет электрического поля энергию, достаточную для ионизации молекулы или атома газа. Этот процесс может носить лавинный характер, так как после выбивания электрона из атома оба электрона в дальнейшем при столкновении с частицами газа могут освобождать новые электроны.

Первичные электроны могут освобождаться из твердого тела любым из рассмотренных выше способов, причем роль твердого тела может играть как оболочка, в которую заключен газ, так и любой из электродов, расположенных внутри лампы. Первичные электроны могут также создаваться в результате фотоэлектрической эмиссии.

Экран электронно-лучевого осциллографа

2. Фотоэлектрическая ионизация

Если газ подвергнуть действию видимого или невидимого излучения, то энергия этого излучения может оказаться достаточной (при поглощении ее атомом) для того, чтобы вырвать некоторые электроны. Этот механизм играет важную роль в определенных видах газового разряда. Кроме того, в газе может иметь место фотоэлектрический эффект под действием излучения возбужденных частиц самого газа.

3. Бомбардировка положительными ионами

Положительный ион, соударяясь с нейтральной газовой молекулой, может освободить электрон, как в случае электронной бомбардировки.

Электронно-лучевая трубка

4. Термическая ионизация

Если температура газа достаточно высока, то некоторые электроны, входящие в состав его молекул, могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы, которым они принадлежат. Это явление аналогично термоэлектрической эмиссии из металла. Этот тип эмиссии играет роль только в случае мощной дуги при высоком давлении.

Наиболее существенную роль играет ионизация газа в результате электронной бомбардировки. Фотоэлектрическая ионизация имеет значение при некоторых разновидностях газового разряда. Остальные процессы имеют меньшее значение.

Еще относительно недавно везде применялись электровакуумные приборы различных конструкций: в технике связи (в особенности радиосвязи), в радиолокации, в энергетике, в приборостроении и т. д.

Вакуумная лампа

Применение электровакуумных приборов в области энергетики состояло в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямление), в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование), в изменении частоты, в регулировании скорости электродвигателей, в автоматическом контроле напряжения генераторов переменного и постоянного тока, во включении и выключении значительных мощностей в электросварке, в управлении освещением.

Электронные лампы - история, принцип действия, конструкция и применение

Использование взаимодействия излучения с электронами привело к созданию фотоэлементов и газоразрядных источников света: неоновых, ртутных и люминесцентных ламп. Электронные приборы управления имели исключительное значение для цепей театрального и производственного освещения.

Современные светодиодные лампы

В настоящее время все эти процессы используют полупроводниковые электронные приборы, а для целей освещения используются светодиодные технологии.