مصادر الإلكترونات ، أنواع الإشعاع الإلكتروني ، أسباب التأين

لفهم وشرح مبادئ تشغيل الأجهزة الإلكترونية لا بد من الإجابة على السؤال التالي: كيف يتم فصل الإلكترونات؟ سنجيب في هذا المقال.

وفقًا للنظرية الحديثة ، تتكون الذرة من نواة لها شحنة موجبة وتركز في حد ذاتها تقريبًا كتلة الذرة بأكملها ، والإلكترونات سالبة الشحنة الموجودة حول النواة. الذرة ككل محايدة كهربائيالذلك ، يجب أن تكون شحنة النواة مساوية لشحنة الإلكترونات المحيطة.

نظرًا لأن جميع المواد الكيميائية مصنوعة من جزيئات ، والجزيئات مصنوعة من الذرات ، فإن أي مادة في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية هي مصدر محتمل للإلكترونات. في الواقع ، تُستخدم الحالات الكلية الثلاث للمادة في الأجهزة التقنية كمصدر للإلكترونات.

من المصادر المهمة للإلكترونات بشكل خاص المعادن ، والتي تستخدم عادة لهذا الغرض في شكل أسلاك أو شرائط.

السؤال الذي يطرح نفسه: إذا كان مثل هذا الخيط يحتوي على إلكترونات وإذا كانت هذه الإلكترونات حرة نسبيًا ، أي أنها يمكن أن تتحرك بحرية أكثر أو أقل داخل المعدن (هذا هو الحال بالفعل ، نحن مقتنعون بأنه حتى فرق جهد صغير جدًا ، إذا تم تطبيقه على طرفي مثل هذا الخيط ، فإنه يوجه تدفق الإلكترونات على طوله) ، فلماذا لا تطير الإلكترونات من المعدن وفي ظل الظروف العادية لا تشكل مصدرًا للإلكترونات؟ يمكن إعطاء إجابة بسيطة على هذا السؤال على أساس نظرية الكهرباء الساكنة الأولية.

افترض أن الإلكترونات تترك المعدن. ثم يجب أن يكتسب المعدن شحنة موجبة. نظرًا لأن الشحنات ذات العلامات المعاكسة تجذب بعضها البعض ، فإن الإلكترونات ستنجذب مرة أخرى إلى المعدن ما لم يمنع ذلك بعض التأثيرات الخارجية.

هناك عدة طرق يمكن من خلالها إعطاء الإلكترونات الموجودة في المعدن طاقة كافية لترك المعدن:

1. الإشعاع الحراري

الإشعاع الحراري هو انبعاث الإلكترونات من الأجسام المتوهجة. تمت دراسة الإشعاع الحراري في المواد الصلبة وخاصة في المعادن وأشباه الموصلات فيما يتعلق باستخدامها كمواد للكاثودات الحرارية للأجهزة الإلكترونية ومحولات الحرارة إلى الكهرباء.

ظاهرة فقدان الكهرباء السالبة من الأجسام عند تسخينها إلى درجة حرارة أعلى من الحرارة البيضاء معروفة منذ أواخر القرن الثامن عشر. في بيتروف (1812) ، توماس إديسون (1889) وآخرون وضعوا عددًا من القوانين النوعية لهذه الظاهرة. بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي ، تم تحديد العلاقات التحليلية الرئيسية بين عدد الإلكترونات المنبعثة ودرجة حرارة الجسم ووظيفة العمل.

التيار الذي يتدفق عبر الفتيل عند تطبيق جهد على نهاياته يسخن الفتيل. عندما تكون درجة حرارة المعدن مرتفعة بدرجة كافية ، ستترك الإلكترونات سطح المعدن وتهرب إلى الفضاء المحيط.

يُطلق على المعدن المستخدم بهذه الطريقة الكاثود الحراري ، ويسمى إطلاق الإلكترونات بهذه الطريقة بالإشعاع الحراري. تشبه العمليات التي تسبب الإشعاع الحراري عمليات تبخر الجزيئات من سطح السائل.

في كلتا الحالتين ، يجب القيام ببعض العمل ، في حالة السائل ، هذا العمل هو الحرارة الكامنة للتبخر ، والتي تساوي الطاقة المطلوبة لتغيير غرام واحد من المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

في حالة الإشعاع الحراري ، فإن ما يسمى بوظيفة العمل هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتبخير إلكترون واحد من المعدن. عادةً ما تحتوي مكبرات الصوت الفراغية المستخدمة سابقًا في الهندسة الراديوية على كاثودات حرارية.

2. إرسال ضوئي

ينتج عن تأثير الضوء على سطح المواد المختلفة أيضًا إطلاق الإلكترونات. تُستخدم الطاقة الضوئية لتزويد إلكترونات المادة بالطاقة الإضافية اللازمة حتى تتمكن من ترك المعدن.

تسمى المادة المستخدمة كمصدر للإلكترونات في هذه الطريقة بالكاثود الكهروضوئي ، وتعرف عملية إطلاق الإلكترونات باسم الانبعاثات الضوئية أو الضوئية... هذه الطريقة لإطلاق الإلكترونات هي أساس العين الكهربائية— ضوئية.

3. الانبعاثات الثانوية

عندما تصطدم الجسيمات (الإلكترونات أو الأيونات الموجبة) بسطح معدني ، يمكن نقل جزء من الطاقة الحركية لهذه الجسيمات أو كل طاقتها الحركية إلى إلكترون واحد أو أكثر من إلكترون المعدن ، ونتيجة لذلك يكتسبون طاقة كافية للمغادرة المعدن. هذه العملية تسمى انبعاث الإلكترون الثانوي.

4. الانبعاثات الإلكترونية الآلية

إذا كان هناك مجال كهربائي قوي جدًا بالقرب من سطح المعدن ، فيمكنه سحب الإلكترونات بعيدًا عن المعدن. هذه الظاهرة تسمى انبعاث المجال أو الانبعاث البارد.

الزئبق هو المعدن الوحيد المستخدم على نطاق واسع ككاثود انبعاث ميداني (في مقومات الزئبق القديمة). تسمح كاثودات الزئبق بكثافات تيار عالية جدًا وتمكن من تصميم مقومات تصل إلى 3000 كيلو واط.

يمكن أيضًا إطلاق الإلكترونات من مادة غازية بعدة طرق. تسمى العملية التي تفقد بها الذرة إلكترونًا بالتأين.... تسمى الذرة التي فقدت إلكترونًا بالأيون الموجب.

يمكن أن تحدث عملية التأين للأسباب التالية:

1. القصف الإلكتروني

يمكن للإلكترون الحر في المصباح المملوء بالغاز ، بسبب المجال الكهربائي ، أن يكتسب طاقة كافية لتأين جزيء أو ذرة غاز. يمكن أن يكون لهذه العملية طابع الانهيار ، لأنه بعد إخراج إلكترون من ذرة ، يمكن لكلا الإلكترونين في المستقبل ، عندما يصطدمان بجزيئات الغاز ، إطلاق إلكترونات جديدة.

يمكن إطلاق الإلكترونات الأولية من مادة صلبة بأي من الطرق التي تمت مناقشتها أعلاه ، ويمكن لعب دور المادة الصلبة بواسطة الغلاف الذي يحيط به الغاز ، وأي من الأقطاب الكهربائية الموجودة داخل المصباح.يمكن أيضًا توليد الإلكترونات الأولية عن طريق الإشعاع الكهروضوئي.

2. التأين الكهروضوئي

إذا تعرض الغاز لإشعاع مرئي أو غير مرئي ، فقد تكون طاقة هذا الإشعاع كافية (عندما تمتصه ذرة) للتخلص من بعض الإلكترونات. تلعب هذه الآلية دورًا مهمًا في أنواع معينة من تصريف الغاز. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يحدث تأثير كهروضوئي في الغاز بسبب انبعاث الجسيمات المُثارة من الغاز نفسه.

3. القصف الأيوني الموجب

يمكن لأيون موجب يصطدم بجزيء غاز محايد أن يطلق إلكترونًا ، كما في حالة القصف الإلكتروني.

4. التأين الحراري

إذا كانت درجة حرارة الغاز مرتفعة بدرجة كافية ، فإن بعض الإلكترونات التي تتكون منها جزيئاته يمكن أن تكتسب طاقة كافية لترك الذرات التي تنتمي إليها. تشبه هذه الظاهرة الإشعاع الكهروحراري من المعدن ، ويلعب هذا النوع من الانبعاث دورًا فقط في حالة وجود قوس قوي عند ضغط عالٍ.

الدور الأكثر أهمية هو تأين الغاز نتيجة القصف الإلكتروني. التأين الكهروضوئي مهم في بعض أنواع تصريف الغاز. العمليات المتبقية أقل أهمية.

حتى وقت قريب نسبيًا ، تم استخدام الأجهزة الفراغية ذات التصميمات المختلفة في كل مكان: في تقنيات الاتصالات (خاصة الاتصالات اللاسلكية) ، في الرادارات ، في الطاقة ، في صناعة الأدوات ، إلخ.

يتكون استخدام أجهزة الفراغ الكهربائي في مجال الطاقة من تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر (تصحيح) ، وتحويل التيار المباشر إلى تيار متردد (قلب) ، وتغيير التردد ، وضبط سرعة المحركات الكهربائية ، والتحكم تلقائيًا في جهد التيار المتردد ومولدات التيار المباشر ، وتشغيل وإيقاف طاقة كبيرة في اللحام الكهربائي ، والتحكم في الإضاءة.

أنابيب الإلكترون - التاريخ ومبدأ التشغيل والتصميم والتطبيق

أدى استخدام تفاعل الإشعاع مع الإلكترونات إلى إنشاء خلايا ضوئية ومصادر ضوئية لتفريغ الغاز: مصابيح النيون والزئبق والفلوريسنت. كان التحكم الإلكتروني ذا أهمية قصوى في مخططات الإضاءة المسرحية والصناعية.

حاليًا ، تستخدم جميع هذه العمليات أجهزة إلكترونية أشباه الموصلات وتُستخدم للإضاءة تقنية LED.