Fontes de elétrons, tipos de radiação de elétrons, causas de ionização
Para entender e explicar os princípios de funcionamento dos dispositivos eletrônicos, é necessário responder à seguinte pergunta: como os elétrons são separados?, responderemos neste artigo.
Segundo a teoria moderna, o átomo consiste em um núcleo, que tem carga positiva e concentra em si quase toda a massa do átomo, e elétrons carregados negativamente localizados ao redor do núcleo. O átomo como um todo é eletricamente neutro, portanto, a carga do núcleo deve ser igual à carga dos elétrons circundantes.
Como todas as substâncias químicas são feitas de moléculas, e as moléculas são feitas de átomos, qualquer substância no estado sólido, líquido ou gasoso é uma fonte potencial de elétrons. Na verdade, todos os três estados agregados da matéria são usados em dispositivos técnicos como fonte de elétrons.
Uma fonte particularmente importante de elétrons são os metais, que geralmente são usados para esse fim na forma de fios ou fitas.
Surge a pergunta: se tal filamento contém elétrons e se esses elétrons são relativamente livres, isto é, eles podem se mover mais ou menos livremente dentro do metal (que este é realmente o caso, estamos convencidos de que mesmo uma diferença de potencial muito pequena, aplicado a ambas as extremidades de tal fio direciona o fluxo de elétrons ao longo dele), então por que os elétrons não voam para fora do metal e sob condições normais não formam uma fonte de elétrons? Uma resposta simples a esta pergunta pode ser dada com base na teoria eletrostática elementar.
Suponha que os elétrons deixem o metal. Então o metal deve adquirir uma carga positiva. Como as cargas de sinais opostos se atraem, os elétrons serão novamente atraídos pelo metal, a menos que alguma influência externa impeça isso.
Existem várias maneiras pelas quais os elétrons em um metal podem receber energia suficiente para deixar o metal:
1. Radiação termiônica
A radiação termiônica é a emissão de elétrons de corpos incandescentes. A radiação termiônica tem sido estudada em sólidos e especialmente em metais e semicondutores em conexão com seu uso como material para cátodos termiônicos de dispositivos eletrônicos e conversores de calor em eletricidade.
O fenômeno da perda de eletricidade negativa dos corpos quando aquecidos a uma temperatura acima do calor branco é conhecido desde o final do século XVIII. V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) e outros estabeleceram várias leis qualitativas desse fenômeno. Na década de 1930, as principais relações analíticas entre o número de elétrons emitidos, a temperatura corporal e a função de trabalho foram determinadas.
A corrente que flui através do filamento quando uma tensão é aplicada em suas extremidades aquece o filamento. Quando a temperatura do metal é alta o suficiente, os elétrons deixam a superfície do metal e escapam para o espaço circundante.
O metal usado dessa maneira é chamado de cátodo termiônico, e a liberação de elétrons dessa maneira é chamada de radiação termiônica. Os processos que causam radiação termiônica são semelhantes aos processos de evaporação de moléculas da superfície de um líquido.
Em ambos os casos, algum trabalho deve ser realizado.No caso de um líquido, esse trabalho é o calor latente de vaporização, igual à energia necessária para passar um grama da substância do estado líquido para o gasoso.
No caso da radiação termiônica, a chamada função trabalho é a energia mínima necessária para evaporar um elétron do metal. Os amplificadores de vácuo usados anteriormente na engenharia de rádio geralmente tinham cátodos termiônicos.
2. Fotoemissão
A ação da luz na superfície de vários materiais também resulta na liberação de elétrons. A energia da luz é usada para fornecer aos elétrons da substância a energia extra necessária para que eles possam deixar o metal.
O material usado como fonte de elétrons nesse método é chamado de cátodo fotovoltaico, e o processo de liberação de elétrons é conhecido como emissões fotovoltaicas ou fotoelétrons… Essa maneira de liberar elétrons é a base do olho elétrico— fotocélula.
3. Emissões secundárias
Quando partículas (elétrons ou íons positivos) atingem uma superfície metálica, parte da energia cinética dessas partículas ou toda a sua energia cinética pode ser transferida para um ou mais elétrons do metal, com o que adquirem energia suficiente para sair o metal. Este processo é chamado de emissão secundária de elétrons.
4. Emissões autoeletrônicas
Se existir um campo elétrico muito forte perto da superfície do metal, ele pode puxar os elétrons para longe do metal. Este fenômeno é chamado de emissão de campo ou emissão fria.
O mercúrio é o único metal amplamente utilizado como cátodo de emissão de campo (nos antigos retificadores de mercúrio). Os cátodos de mercúrio permitem densidades de corrente muito altas e permitem o projeto de retificadores de até 3000 kW.
Os elétrons também podem ser liberados de uma substância gasosa de várias maneiras. O processo pelo qual um átomo perde um elétron é chamado de ionização.… Um átomo que perdeu um elétron é chamado de íon positivo.
O processo de ionização pode ocorrer devido aos seguintes motivos:
1. Bombardeio eletrônico
Um elétron livre em uma lâmpada cheia de gás pode, devido ao campo elétrico, adquirir energia suficiente para ionizar uma molécula ou átomo de gás. Esse processo pode ter um caráter de avalanche, pois após a eliminação de um elétron de um átomo, ambos os elétrons no futuro, ao colidirem com partículas de gás, podem liberar novos elétrons.
Os elétrons primários podem ser liberados de um sólido por qualquer um dos métodos discutidos acima, e o papel de um sólido pode ser desempenhado tanto pela casca na qual o gás está contido quanto por qualquer um dos eletrodos localizados dentro da lâmpada.Elétrons primários também podem ser gerados por radiação fotovoltaica.
2. Ionização fotoelétrica
Se o gás for exposto à radiação visível ou invisível, a energia dessa radiação pode ser suficiente (quando absorvida por um átomo) para derrubar alguns dos elétrons. Este mecanismo desempenha um papel importante em certos tipos de descarga de gás. Além disso, um efeito fotoelétrico pode ocorrer em um gás devido à emissão de partículas excitadas do próprio gás.
3. Bombardeio de íons positivos
Um íon positivo atingindo uma molécula de gás neutro pode liberar um elétron, como no caso do bombardeio de elétrons.
4. Ionização térmica
Se a temperatura do gás for alta o suficiente, alguns dos elétrons que compõem suas moléculas podem adquirir energia suficiente para deixar os átomos aos quais pertencem. Este fenômeno é semelhante à radiação termoelétrica do metal.Este tipo de emissão desempenha um papel apenas no caso de um arco poderoso em alta pressão.
O papel mais significativo é desempenhado pela ionização do gás como resultado do bombardeio de elétrons. A ionização fotoelétrica é importante em alguns tipos de descarga de gás. Os processos restantes são menos importantes.
Até há relativamente pouco tempo, dispositivos de vácuo de vários designs eram usados em todos os lugares: em tecnologias de comunicação (especialmente comunicações de rádio), em radares, em energia, na fabricação de instrumentos, etc.
O uso de aparelhos de eletrovácuo no campo da energia consiste em converter corrente alternada em corrente contínua (retificação), converter corrente contínua em corrente alternada (inverter), mudar a frequência, ajustar a velocidade dos motores elétricos, controlar automaticamente a tensão da corrente alternada e geradores de corrente contínua, ligando e desligando energia significativa em soldagem elétrica, controle de iluminação.
Tubos de elétrons - história, princípio de operação, design e aplicação
O uso da interação da radiação com os elétrons levou à criação de fotocélulas e fontes de luz de descarga gasosa: néon, mercúrio e lâmpadas fluorescentes. O controle eletrônico foi de extrema importância em esquemas de iluminação teatrais e industriais.
Atualmente, todos esses processos usam dispositivos eletrônicos semicondutores e são usados para iluminação tecnologia LED.