Elektronenquellen, Arten der Elektronenstrahlung, Ursachen der Ionisation

Um die Funktionsprinzipien elektronischer Geräte zu verstehen und zu erklären, ist es notwendig, die folgende Frage zu beantworten: Wie werden Elektronen getrennt? Wir werden sie in diesem Artikel beantworten.

Nach der modernen Theorie besteht das Atom aus einem Kern, der eine positive Ladung hat und in sich fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert, und negativ geladenen Elektronen, die sich um den Kern herum befinden. Das Atom als Ganzes ist elektrisch neutralDaher muss die Ladung des Kerns gleich der Ladung der umgebenden Elektronen sein.

Da alle Chemikalien aus Molekülen und Moleküle aus Atomen bestehen, ist jede Substanz im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand eine potenzielle Elektronenquelle. Tatsächlich werden alle drei Aggregatzustände der Materie in technischen Geräten als Elektronenquelle genutzt.

Eine besonders wichtige Elektronenquelle sind Metalle, die hierfür meist in Form von Drähten oder Bändern verwendet werden.

Es stellt sich die Frage: Enthält ein solches Filament Elektronen und sind diese Elektronen relativ frei, d. Das an beiden Enden eines solchen Fadens angebrachte Element lenkt den Elektronenfluss daran entlang. Warum fliegen die Elektronen dann nicht aus dem Metall und bilden unter normalen Bedingungen keine Elektronenquelle? Eine einfache Antwort auf diese Frage kann auf der Grundlage der elementaren elektrostatischen Theorie gegeben werden.

Angenommen, die Elektronen verlassen das Metall. Dann sollte das Metall eine positive Ladung erhalten. Da sich Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen gegenseitig anziehen, werden die Elektronen wieder vom Metall angezogen, es sei denn, ein äußerer Einfluss verhindert dies.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Elektronen in einem Metall genügend Energie erhalten können, um das Metall zu verlassen:

1. Thermionische Strahlung

Thermionische Strahlung ist die Emission von Elektronen aus glühenden Körpern. Thermionische Strahlung wurde in Festkörpern und insbesondere in Metallen und Halbleitern im Zusammenhang mit ihrer Verwendung als Material für thermionische Kathoden elektronischer Geräte und Wärme-Strom-Wandler untersucht.

Das Phänomen des Verlusts negativer Elektrizität aus Körpern, wenn sie auf eine Temperatur oberhalb der Weißglut erhitzt werden, ist seit dem späten 18. Jahrhundert bekannt. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) und andere stellten eine Reihe qualitativer Gesetze dieses Phänomens auf. In den 1930er Jahren wurden die wichtigsten analytischen Zusammenhänge zwischen der Anzahl der emittierten Elektronen, der Körpertemperatur und der Austrittsarbeit ermittelt.

Der Strom, der durch den Glühfaden fließt, wenn an seine Enden eine Spannung angelegt wird, erwärmt den Glühfaden. Wenn die Temperatur des Metalls hoch genug ist, verlassen die Elektronen die Oberfläche des Metalls und entweichen in den umgebenden Raum.

Das auf diese Weise verwendete Metall wird als thermionische Kathode bezeichnet, und die Freisetzung von Elektronen auf diese Weise wird als thermionische Strahlung bezeichnet. Die Prozesse, die thermionische Strahlung verursachen, ähneln den Prozessen der Verdunstung von Molekülen von der Oberfläche einer Flüssigkeit.

In beiden Fällen muss etwas Arbeit geleistet werden. Im Falle einer Flüssigkeit ist diese Arbeit die latente Verdampfungswärme, die der Energie entspricht, die erforderlich ist, um ein Gramm der Substanz vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen.

Bei thermionischer Strahlung ist die sogenannte Austrittsarbeit die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem Metall zu verdampfen. Bisher in der Funktechnik eingesetzte Vakuumverstärker verfügten meist über thermionische Kathoden.

2. Photoemission

Auch die Einwirkung von Licht auf die Oberfläche verschiedener Materialien führt zur Freisetzung von Elektronen. Die Lichtenergie wird genutzt, um den Elektronen des Stoffes die nötige Extraenergie zu geben, damit sie das Metall verlassen können.

Das Material, das bei dieser Methode als Elektronenquelle verwendet wird, wird als Photovoltaikkathode bezeichnet, und der Prozess der Elektronenabgabe wird als Photovoltaikkathode bezeichnet Photovoltaik- oder Photoelektronenemissionen… Diese Art der Elektronenfreisetzung ist die Grundlage des elektrischen Auges – Fotozelle.

3. Sekundäremissionen

Wenn Teilchen (Elektronen oder positive Ionen) auf eine Metalloberfläche treffen, kann ein Teil der kinetischen Energie dieser Teilchen oder ihre gesamte kinetische Energie auf ein oder mehrere Elektronen des Metalls übertragen werden, wodurch sie ausreichend Energie erhalten, um sie zu verlassen das Metall. Dieser Vorgang wird als Sekundärelektronenemission bezeichnet.

4. Autoelektronische Emissionen

Wenn in der Nähe der Metalloberfläche ein sehr starkes elektrisches Feld vorhanden ist, kann es Elektronen vom Metall wegziehen. Dieses Phänomen wird Feldemission oder Kaltemission genannt.

Quecksilber ist das einzige Metall, das häufig als Feldemissionskathode (in den alten Quecksilbergleichrichtern) verwendet wird. Quecksilberkathoden ermöglichen sehr hohe Stromdichten und ermöglichen den Aufbau von Gleichrichtern bis zu 3000 kW.

Elektronen können auch auf verschiedene Arten aus einer gasförmigen Substanz freigesetzt werden. Der Vorgang, bei dem ein Atom ein Elektron verliert, wird Ionisierung genannt.… Ein Atom, das ein Elektron verloren hat, wird als positives Ion bezeichnet.

Der Ionisationsprozess kann aus folgenden Gründen stattfinden:

1. Elektronisches Bombardement

Ein freies Elektron in einer gasgefüllten Lampe kann aufgrund des elektrischen Feldes ausreichend Energie aufnehmen, um ein Gasmolekül oder -atom zu ionisieren. Dieser Prozess kann Lawinencharakter haben, da nach dem Herausschlagen eines Elektrons aus einem Atom beide Elektronen in Zukunft bei der Kollision mit Gasteilchen neue Elektronen freisetzen können.

Primärelektronen können mit jeder der oben diskutierten Methoden aus einem Festkörper freigesetzt werden, und die Rolle eines Festkörpers kann sowohl die Hülle, in der das Gas eingeschlossen ist, als auch jede der im Inneren der Lampe befindlichen Elektroden spielen.Primärelektronen können auch durch photovoltaische Strahlung erzeugt werden.

2. Photoelektrische Ionisation

Wenn das Gas sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung ausgesetzt wird, kann die Energie dieser Strahlung (wenn sie von einem Atom absorbiert wird) ausreichen, um einige der Elektronen abzuspalten. Dieser Mechanismus spielt bei bestimmten Arten von Gasentladungen eine wichtige Rolle. Darüber hinaus kann in einem Gas ein photoelektrischer Effekt aufgrund der Emission angeregter Teilchen aus dem Gas selbst auftreten.

3. Positiver Ionenbeschuss

Ein positives Ion, das auf ein neutrales Gasmolekül trifft, kann ein Elektron freisetzen, wie im Fall eines Elektronenbeschusses.

4. Thermische Ionisation

Wenn die Temperatur des Gases hoch genug ist, können einige der Elektronen, aus denen seine Moleküle bestehen, genug Energie aufnehmen, um die Atome, zu denen sie gehören, zu verlassen. Dieses Phänomen ähnelt der thermoelektrischen Strahlung von Metall. Diese Art der Emission spielt nur bei einem starken Lichtbogen bei hohem Druck eine Rolle.

Die bedeutendste Rolle spielt die Ionisierung des Gases durch Elektronenbeschuss. Bei einigen Arten von Gasentladungen ist die fotoelektrische Ionisation wichtig. Die übrigen Prozesse sind weniger wichtig.

Bis vor relativ kurzer Zeit wurden Vakuumgeräte unterschiedlicher Bauart überall eingesetzt: in der Kommunikationstechnologie (insbesondere in der Funkkommunikation), in Radargeräten, in der Energietechnik, im Instrumentenbau usw.

Der Einsatz von Elektrovakuumgeräten im Energiebereich besteht aus der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom (Gleichrichtung), der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom (Invertierung), der Änderung der Frequenz, der Anpassung der Drehzahl von Elektromotoren und der automatischen Steuerung der Wechselstromspannung und Gleichstromgeneratoren, Ein- und Ausschalten erheblicher Leistungen beim Elektroschweißen, Beleuchtungssteuerung.

Elektronenröhren – Geschichte, Funktionsprinzip, Design und Anwendung

Die Nutzung der Wechselwirkung von Strahlung mit Elektronen führte zur Entwicklung von Fotozellen und Gasentladungslichtquellen: Neon-, Quecksilber- und Leuchtstofflampen. Die elektronische Steuerung war in Theater- und Industriebeleuchtungssystemen von größter Bedeutung.

Derzeit nutzen alle diese Prozesse elektronische Halbleiterbauelemente und werden für die Beleuchtung verwendet LED-Technologie.