電子源、電子放射線の種類、イオン化の原因
電子デバイスの動作原理を理解して説明するには、「電子はどのように分離されるのか?」という質問に答える必要があります。この記事で答えます。
現代の理論によれば、原子は、正の電荷を持ち、それ自体に原子のほぼ全質量が集中している原子核と、原子核の周囲にある負の電荷を帯びた電子から構成されています。 原子は全体として電気的に中性ですしたがって、原子核の電荷は周囲の電子の電荷と等しくなければなりません。
すべての化学物質は分子で構成されており、分子は原子で構成されているため、固体、液体、気体の状態にある物質はすべて電子源となる可能性があります。実際、物質の 3 つの集合状態はすべて、電子源として技術デバイスで使用されます。
特に重要な電子源は金属であり、通常はワイヤまたはリボンの形でこの目的に使用されます。
疑問が生じます。そのようなフィラメントに電子が含まれており、これらの電子が比較的自由である場合、つまり、電子が金属内で多かれ少なかれ自由に移動できる場合（実際にそうなっているため、非常に小さな電位差であっても、このような糸の両端に適用すると、それに沿って電子の流れが方向付けられます)、では、なぜ電子は金属から飛び出さず、通常の状態では電子源を形成しないのでしょうか?この質問に対する簡単な答えは、初歩的な静電理論に基づいて与えることができます。
電子が金属から出たと仮定します。その後、金属は正の電荷を帯びるはずです。反対の符号の電荷は互いに引き合うため、何らかの外部影響がこれを妨げない限り、電子は再び金属に引き付けられます。
金属内の電子に十分なエネルギーを与えて金属から離れるには、いくつかの方法があります。
1. 熱電子放射
熱電子放射は、白熱体からの電子の放出です。熱電子放射は、電子デバイスや熱電変換器の熱電子陰極の材料としての使用に関連して、固体、特に金属や半導体で研究されてきました。
白熱を超える温度に加熱されると物体からマイナスの電気が失われる現象は、18 世紀後半から知られていました。 V. V. Petrov (1812)、Thomas Edison (1889) らは、この現象に関する多くの質的法則を確立しました。 1930 年代までに、放出された電子の数、体温、仕事関数の間の主な分析関係が決定されました。
フィラメントの両端に電圧を印加すると、フィラメントに流れる電流によってフィラメントが加熱されます。金属の温度が十分に高くなると、電子は金属の表面を離れ、周囲の空間に逃げます。
このように使用される金属は熱電子陰極と呼ばれ、この方法での電子の放出は熱電子放射と呼ばれます。熱電子放射を引き起こすプロセスは、液体の表面から分子が蒸発するプロセスに似ています。
どちらの場合も、何らかの仕事を行う必要があります。液体の場合、この仕事は蒸発潜熱であり、1 グラムの物質を液体から気体状態に変化させるのに必要なエネルギーに等しくなります。
熱電子放射の場合、いわゆる仕事関数は、金属から 1 個の電子を蒸発させるのに必要な最小エネルギーです。以前に無線工学で使用されていた真空増幅器には、通常、熱電子陰極が付いていました。
2. 光電子放出
さまざまな材料の表面に光が作用すると、電子が放出されます。光エネルギーは、物質の電子に必要な追加エネルギーを提供し、電子が金属から離れることができるようにするために使用されます。
この方法で電子源として使用される材料は光起電力陰極と呼ばれ、電子を放出するプロセスは次のように呼ばれます。 太陽光発電または光電子放出…この電子の放出方法が電気の目の基礎です— 光電池.
3. 二次排出
粒子 (電子または陽イオン) が金属表面に衝突すると、これらの粒子の運動エネルギーの一部またはすべての運動エネルギーが金属の 1 つまたは複数の電子に伝達され、その結果粒子は金属表面から離れるのに十分なエネルギーを獲得します。金属。このプロセスは二次電子放出と呼ばれます。
4. 自動車電子放出
非常に強い電場が金属の表面近くに存在すると、電子が金属から引き離される可能性があります。この現象はフィールドエミッションまたはコールドエミッションと呼ばれます。
水銀は、電界放射陰極 (古い水銀整流器) として広く使用されている唯一の金属です。水銀陰極により非常に高い電流密度が可能になり、最大 3000 kW の整流器の設計が可能になります。
電子は、いくつかの方法でガス状物質から放出されることもあります。 原子が電子を失うプロセスはイオン化と呼ばれます。…電子を失った原子は陽イオンと呼ばれます。
イオン化プロセスは次の理由で発生する可能性があります。
1. 電子爆撃
ガスが充填されたランプ内の自由電子は、電界により、ガス分子または原子をイオン化するのに十分なエネルギーを獲得できます。このプロセスは、原子から電子をノックアウトした後、将来ガス粒子と衝突するときに両方の電子が新しい電子を放出する可能性があるため、雪崩の性質を持つ可能性があります。
一次電子は、上で説明した方法のいずれかによって固体から放出でき、固体の役割は、ガスが封入されているシェルと、ランプ内部にある電極の両方によって果たされます。一次電子は太陽光線によっても生成されます。
2. 光電イオン化
ガスが可視または不可視の放射線にさらされると、その放射線のエネルギーは（原子に吸収された場合）電子の一部を弾き飛ばすのに十分である可能性があります。このメカニズムは、特定の種類のガス放出において重要な役割を果たします。さらに、ガス自体からの励起粒子の放出により、ガス内で光電効果が発生することがあります。
3. プラスイオン衝撃
電子衝撃の場合のように、陽イオンが中性ガス分子に衝突すると電子を放出することがあります。
4. 熱イオン化
ガスの温度が十分に高い場合、その分子を構成する電子の一部は、それらが属する原子から離れるのに十分なエネルギーを獲得できます。この現象は金属からの熱電放射に似ており、このタイプの放射は高圧での強力なアークの場合にのみ役割を果たします。
最も重要な役割は、電子衝撃の結果としてのガスのイオン化によって演じられます。光電イオン化は、いくつかの種類のガス放電において重要です。残りのプロセスはそれほど重要ではありません。
比較的最近まで、さまざまな設計の真空装置が、通信技術 (特に無線通信)、レーダー、エネルギー、機器製造などのあらゆる分野で使用されていました。
エネルギー分野における電気真空装置の使用は、交流を直流に変換する（整流）、直流を交流に変換する（反転）、周波数を変更する、電気モーターの速度を調整する、交流の電圧を自動制御することから構成されます。直流発電機、電気溶接、照明制御などの重要な電力のオン/オフを切り替えます。
放射線と電子の相互作用を利用することで、光電池やガス放電光源、つまりネオン、水銀、蛍光灯が生み出されました。電子制御は、劇場および産業用の照明計画において最も重要でした。
現在、これらのプロセスはすべて半導体電子デバイスを使用しており、照明に使用されています。 LED技術.