Sources d'électrons, types de rayonnement électronique, causes d'ionisation

Afin de comprendre et d'expliquer les principes de fonctionnement des appareils électroniques, il est nécessaire de répondre à la question suivante : comment sont séparés les électrons ?Nous y répondrons dans cet article.

Selon la théorie moderne, l'atome est constitué d'un noyau, qui a une charge positive et concentre en lui-même presque toute la masse de l'atome, et des électrons chargés négativement situés autour du noyau. L'atome dans son ensemble est électriquement neutre, par conséquent, la charge du noyau doit être égale à la charge des électrons environnants.

Étant donné que tous les produits chimiques sont constitués de molécules et que les molécules sont constituées d'atomes, toute substance à l'état solide, liquide ou gazeux est une source potentielle d'électrons. En fait, les trois états agrégés de la matière sont utilisés dans les dispositifs techniques comme source d'électrons.

Une source d'électrons particulièrement importante sont les métaux, qui sont généralement utilisés à cette fin sous la forme de fils ou de rubans.

La question se pose : si un tel filament contient des électrons et si ces électrons sont relativement libres, c'est-à-dire qu'ils peuvent se déplacer plus ou moins librement à l'intérieur du métal (que c'est bien le cas, nous sommes convaincus que même une très faible différence de potentiel, appliqué aux deux extrémités d'un tel fil dirige le flux d'électrons le long de celui-ci), alors pourquoi les électrons ne s'envolent-ils pas hors du métal et dans des conditions normales ne forment-ils pas une source d'électrons ? Une réponse simple à cette question peut être donnée sur la base de la théorie électrostatique élémentaire.

Supposons que les électrons quittent le métal. Ensuite, le métal devrait acquérir une charge positive. Étant donné que les charges de signes opposés s'attirent, les électrons seront à nouveau attirés par le métal à moins qu'une influence extérieure ne l'en empêche.

Il existe plusieurs façons de donner aux électrons d'un métal suffisamment d'énergie pour quitter le métal :

1. Rayonnement thermoionique

Le rayonnement thermionique est l'émission d'électrons par des corps incandescents. Le rayonnement thermionique a été étudié dans les solides et en particulier dans les métaux et les semi-conducteurs en relation avec leur utilisation comme matériau pour les cathodes thermioniques des appareils électroniques et des convertisseurs chaleur-électricité.

Le phénomène de perte d'électricité négative des corps lorsqu'ils sont chauffés à une température supérieure à la chaleur blanche est connu depuis la fin du XVIIIe siècle. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) et d'autres ont établi un certain nombre de lois qualitatives de ce phénomène. Dans les années 1930, les principales relations analytiques entre le nombre d'électrons émis, la température corporelle et la fonction de travail ont été déterminées.

Le courant qui traverse le filament lorsqu'une tension est appliquée à ses extrémités chauffe le filament. Lorsque la température du métal est suffisamment élevée, les électrons quittent la surface du métal et s'échappent dans l'espace environnant.

Le métal utilisé de cette manière est appelé une cathode thermionique, et la libération d'électrons de cette manière est appelée rayonnement thermionique. Les processus provoquant le rayonnement thermionique sont similaires aux processus d'évaporation des molécules de la surface d'un liquide.

Dans les deux cas, un travail doit être effectué, dans le cas d'un liquide, ce travail est la chaleur latente de vaporisation, égale à l'énergie nécessaire pour faire passer un gramme de substance de l'état liquide à l'état gazeux.

Dans le cas du rayonnement thermionique, la soi-disant fonction de travail est l'énergie minimale requise pour évaporer un électron du métal. Les amplificateurs à vide précédemment utilisés dans l'ingénierie radio avaient généralement des cathodes thermioniques.

2. Photoémission

L'action de la lumière à la surface de divers matériaux entraîne également la libération d'électrons. L'énergie lumineuse est utilisée pour fournir aux électrons de la substance l'énergie supplémentaire nécessaire pour qu'ils puissent quitter le métal.

Le matériau utilisé comme source d'électrons dans cette méthode est appelé une cathode photovoltaïque, et le processus de libération d'électrons est connu sous le nom de émissions photovoltaïques ou photoélectrons… Cette façon de libérer des électrons est à la base de l'œil électrique— photocellule.

3. Émissions secondaires

Lorsque des particules (électrons ou ions positifs) frappent une surface métallique, une partie de l'énergie cinétique de ces particules ou la totalité de leur énergie cinétique peut être transférée à un ou plusieurs électrons du métal, à la suite de quoi ils acquièrent une énergie suffisante pour quitter le métal. Ce processus est appelé émission d'électrons secondaires.

4. Émissions autoélectroniques

Si un champ électrique très puissant existe près de la surface du métal, il peut éloigner les électrons du métal. Ce phénomène est appelé émission de champ ou émission froide.

Le mercure est le seul métal largement utilisé comme cathode à émission de champ (dans les anciens redresseurs au mercure). Les cathodes au mercure permettent des densités de courant très élevées et permettent la conception de redresseurs jusqu'à 3000 kW.

Les électrons peuvent également être libérés d'une substance gazeuse de plusieurs manières. Le processus par lequel un atome perd un électron est appelé ionisation.… Un atome qui a perdu un électron est appelé un ion positif.

Le processus d'ionisation peut avoir lieu pour les raisons suivantes :

1. Bombardement électronique

Un électron libre dans une lampe remplie de gaz peut, en raison du champ électrique, acquérir une énergie suffisante pour ioniser une molécule de gaz ou un atome. Ce processus peut avoir un caractère d'avalanche, car après avoir éliminé un électron d'un atome, les deux électrons du futur, lorsqu'ils entrent en collision avec des particules de gaz, peuvent libérer de nouveaux électrons.

Les électrons primaires peuvent être libérés d'un solide par l'une des méthodes décrites ci-dessus, et le rôle d'un solide peut être joué à la fois par la coque dans laquelle le gaz est enfermé et par l'une des électrodes situées à l'intérieur de la lampe.Les électrons primaires peuvent également être générés par le rayonnement photovoltaïque.

2. Ionisation photoélectrique

Si le gaz est exposé à un rayonnement visible ou invisible, l'énergie de ce rayonnement peut être suffisante (lorsqu'il est absorbé par un atome) pour faire tomber certains des électrons. Ce mécanisme joue un rôle important dans certains types de rejets gazeux. De plus, un effet photoélectrique peut se produire dans un gaz en raison de l'émission de particules excitées par le gaz lui-même.

3. Bombardement d'ions positifs

Un ion positif frappant une molécule de gaz neutre peut libérer un électron, comme dans le cas du bombardement électronique.

4. Ionisation thermique

Si la température du gaz est suffisamment élevée, alors certains des électrons qui composent ses molécules peuvent acquérir suffisamment d'énergie pour quitter les atomes auxquels ils appartiennent. Ce phénomène est similaire au rayonnement thermoélectrique du métal, ce type d'émission n'intervient que dans le cas d'un arc puissant à haute pression.

Le rôle le plus important est joué par l'ionisation du gaz à la suite d'un bombardement d'électrons. L'ionisation photoélectrique est importante dans certains types de décharge de gaz. Les processus restants sont moins importants.

Jusqu'à une date relativement récente, des appareils à vide de différentes conceptions étaient utilisés partout : dans les technologies de communication (en particulier les radiocommunications), dans les radars, dans l'énergie, dans la fabrication d'instruments, etc.

L'utilisation des appareils à électrovide dans le domaine de l'énergie consiste à convertir le courant alternatif en courant continu (rectification), à convertir le courant continu en courant alternatif (inverseur), à changer la fréquence, à régler la vitesse des moteurs électriques, à contrôler automatiquement la tension du courant alternatif et générateurs de courant continu, allumer et éteindre une puissance importante en soudage électrique, commande d'éclairage.

Tubes électroniques - Histoire, principe de fonctionnement, conception et application

L'utilisation de l'interaction du rayonnement avec les électrons a conduit à la création de cellules photoélectriques et de sources lumineuses à décharge : néons, mercure et lampes fluorescentes. Le contrôle électronique était de la plus haute importance dans les schémas d'éclairage théâtraux et industriels.

Actuellement, tous ces procédés utilisent des dispositifs électroniques à semi-conducteurs et sont utilisés pour l'éclairage Technologie LED.