Fuentes de electrones, tipos de radiación de electrones, causas de ionización.
Para comprender y explicar los principios de funcionamiento de los dispositivos electrónicos, es necesario responder a la siguiente pregunta: ¿cómo se separan los electrones?, responderemos en este artículo.
Según la teoría moderna, el átomo consta de un núcleo, que tiene carga positiva y concentra en sí mismo casi toda la masa del átomo, y electrones de carga negativa ubicados alrededor del núcleo. El átomo en su conjunto es eléctricamente neutro., por lo tanto, la carga del núcleo debe ser igual a la carga de los electrones circundantes.
Dado que todos los productos químicos están hechos de moléculas, y las moléculas están hechas de átomos, cualquier sustancia en estado sólido, líquido o gaseoso es una fuente potencial de electrones. De hecho, los tres estados agregados de la materia se utilizan en dispositivos técnicos como fuente de electrones.
Una fuente particularmente importante de electrones son los metales, que normalmente se utilizan para este fin en forma de hilos o cintas.
Surge la pregunta: si tal filamento contiene electrones y si estos electrones son relativamente libres, es decir, pueden moverse más o menos libremente dentro del metal (que esto es así, estamos convencidos de que incluso una diferencia de potencial muy pequeña, aplicado a ambos extremos de dicho hilo dirige el flujo de electrones a lo largo de él), entonces, ¿por qué los electrones no salen volando del metal y, en condiciones normales, no forman una fuente de electrones? Se puede dar una respuesta simple a esta pregunta sobre la base de la teoría electrostática elemental.
Supongamos que los electrones abandonan el metal. Entonces el metal debería adquirir una carga positiva. Dado que las cargas de signos opuestos se atraen entre sí, los electrones volverán a ser atraídos por el metal a menos que alguna influencia externa lo impida.
Hay varias formas en que los electrones en un metal pueden recibir suficiente energía para salir del metal:
1. Radiación termoiónica
La radiación termoiónica es la emisión de electrones de cuerpos incandescentes. La radiación termoiónica se ha estudiado en sólidos y especialmente en metales y semiconductores en relación con su uso como material para cátodos termoiónicos de dispositivos electrónicos y convertidores de calor a electricidad.
El fenómeno de la pérdida de electricidad negativa de los cuerpos cuando se calientan a una temperatura superior al calor blanco se conoce desde finales del siglo XVIII. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) y otros establecieron una serie de leyes cualitativas de este fenómeno. En la década de 1930 se determinaron las principales relaciones analíticas entre el número de electrones emitidos, la temperatura corporal y la función de trabajo.
La corriente que fluye a través del filamento cuando se aplica un voltaje a sus extremos calienta el filamento. Cuando la temperatura del metal es lo suficientemente alta, los electrones dejarán la superficie del metal y escaparán al espacio circundante.
El metal utilizado de esta manera se llama cátodo termoiónico y la liberación de electrones de esta manera se llama radiación termoiónica. Los procesos que causan la radiación termoiónica son similares a los procesos de evaporación de moléculas de la superficie de un líquido.
En ambos casos, se debe realizar algún trabajo.En el caso de un líquido, este trabajo es el calor latente de vaporización, igual a la energía requerida para cambiar un gramo de la sustancia de estado líquido a gaseoso.
En el caso de la radiación termoiónica, la llamada función de trabajo es la energía mínima requerida para evaporar un electrón del metal. Los amplificadores de vacío utilizados anteriormente en ingeniería de radio generalmente tenían cátodos termoiónicos.
2. Fotoemisión
La acción de la luz sobre la superficie de varios materiales también da como resultado la liberación de electrones. La energía luminosa se utiliza para proporcionar a los electrones de la sustancia la energía extra necesaria para que puedan salir del metal.
El material utilizado como fuente de electrones en este método se llama cátodo fotovoltaico, y el proceso de liberación de electrones se conoce como emisiones fotovoltaicas o de fotoelectrones… Esta forma de liberar electrones es la base del ojo eléctrico— célula fotoeléctrica.
3. Emisiones secundarias
Cuando las partículas (electrones o iones positivos) golpean una superficie metálica, parte de la energía cinética de estas partículas o toda su energía cinética puede transferirse a uno o más electrones del metal, por lo que adquieren energía suficiente para salir el metal. Este proceso se llama emisión de electrones secundarios.
4. Emisiones autoelectrónicas
Si existe un campo eléctrico muy fuerte cerca de la superficie del metal, puede alejar los electrones del metal. Este fenómeno se denomina emisión de campo o emisión fría.
El mercurio es el único metal ampliamente utilizado como cátodo de emisión de campo (en los antiguos rectificadores de mercurio). Los cátodos de mercurio permiten densidades de corriente muy altas y posibilitan el diseño de rectificadores de hasta 3000 kW.
Los electrones también se pueden liberar de una sustancia gaseosa de varias maneras. El proceso por el cual un átomo pierde un electrón se llama ionización.… Un átomo que ha perdido un electrón se llama ion positivo.
El proceso de ionización puede tener lugar por las siguientes razones:
1. Bombardeo electrónico
Un electrón libre en una lámpara llena de gas puede, debido al campo eléctrico, adquirir energía suficiente para ionizar una molécula o átomo de gas. Este proceso puede tener un carácter de avalancha, ya que después de arrancar un electrón de un átomo, ambos electrones en el futuro, al chocar con partículas de gas, pueden liberar nuevos electrones.
Los electrones primarios pueden liberarse de un sólido por cualquiera de los métodos discutidos anteriormente, y el papel de un sólido puede ser desempeñado tanto por la capa en la que está encerrado el gas como por cualquiera de los electrodos ubicados dentro de la lámpara.Los electrones primarios también pueden ser generados por radiación fotovoltaica.
2. Ionización fotoeléctrica
Si el gas está expuesto a radiación visible o invisible, entonces la energía de esa radiación puede ser suficiente (cuando es absorbida por un átomo) para eliminar algunos de los electrones. Este mecanismo juega un papel importante en ciertos tipos de descarga de gas. Además, un efecto fotoeléctrico puede ocurrir en un gas debido a la emisión de partículas excitadas del propio gas.
3. Bombardeo de iones positivos
Un ion positivo que golpea una molécula de gas neutral puede liberar un electrón, como en el caso del bombardeo de electrones.
4. Ionización térmica
Si la temperatura del gas es lo suficientemente alta, algunos de los electrones que componen sus moléculas pueden adquirir suficiente energía para salir de los átomos a los que pertenecen. Este fenómeno es similar a la radiación termoeléctrica del metal, este tipo de emisión sólo interviene en el caso de un arco potente a alta presión.
El papel más significativo lo juega la ionización del gas como resultado del bombardeo de electrones. La ionización fotoeléctrica es importante en algunos tipos de descarga de gas. Los procesos restantes son menos importantes.
Hasta hace relativamente poco tiempo, los dispositivos de vacío de varios diseños se usaban en todas partes: en tecnologías de comunicación (especialmente comunicaciones por radio), en radares, en energía, en fabricación de instrumentos, etc.
El uso de dispositivos de electrovacío en el campo de la energía consiste en convertir la corriente alterna en corriente continua (rectificación), convertir la corriente continua en corriente alterna (invertir), cambiar la frecuencia, ajustar la velocidad de los motores eléctricos, controlar automáticamente el voltaje de la corriente alterna y generadores de corriente continua, encendido y apagado de potencia importante en soldadura eléctrica, control de iluminación.
Tubos de electrones: historia, principio de funcionamiento, diseño y aplicación
El uso de la interacción de la radiación con los electrones condujo a la creación de fotocélulas y fuentes de luz de descarga de gas: lámparas de neón, mercurio y fluorescentes. El control electrónico era de suma importancia en los esquemas de iluminación teatral e industrial.
Actualmente, todos estos procesos utilizan dispositivos electrónicos semiconductores y se utilizan para la iluminación. tecnología LED.