Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра

Он излучает самые маленькие излучения, используется в электронных устройствах и является элементарной единицей электрического тока.

Протон имеет положительный электрический заряд, который по абсолютной величине совпадает с зарядом электрона.

Положительный заряд отмечается знаком плюс, а отрицательный – символом минус.

Электрики используют электрическое поле для измерения силы и направления электрических зарядов, а также для подключения электрических устройств друг к другу.

Электрики используют электрическое поле для определения силы и направления электрических зарядов, а также для соединения электрических устройств. Это поле содержит силы, которые связаны с зарядами и вызывают их взаимодействие. С помощью этого поля электрики могут измерять силу электрических зарядов и подключать устройства друг к другу.

Электрические поля могут интерактировать с другими электрическими зарядами, такими как атомы, молекулы и ионы. Это позволяет нам понять, как работают электрические устройства и как их можно использовать для решения различных задач.

Электрическое поле – это пространство, вокруг заряженных тел. Это поле способно взаимодействовать с другими электрическими зарядами, такими как атомы, молекулы и ионы. Это дает нам возможность использовать электрические поля для решения различных задач, а также понимать, как работают электрические устройства.

В таких металлах имеется несколько уровней энергии, на которых расположены электроны. Для перемещения их с одного уровня на другой требуется достаточно энергии. Однако, если металл помещается в вакуум, то это перемещение электронов с одного уровня на другой становится возможным без наличия дополнительной энергии. Это процесс называется автоэлектронной эмиссией в вакууме.

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

В металлах существуют свободные электроны проводимости, расположенные на нескольких уровнях энергии. Для того, чтобы переместить их с одного на другой, требуется достаточно энергии. Однако, помещая металл в вакуум, можно осуществить перемещение электронов с одного уровня на другой без дополнительной энергии – это и называется автоэлектронной эмиссией в вакууме.

Постоянно двигаясь в тепловом движении, электроны не могут покинуть металл, благодаря силам, действующим от его поверхности внутрь.

Для электрика притяжение электронов к положительно заряженным ионам кристаллической решетки металла — это сила, которая действует на них со стороны.

Электрическое поле E, которое появляется при приближении к поверхности металла, влияет на разницу потенциалов φ при переходе из внешней среды во внутрь металла.

Потенциальная энергия электрона, необходимая для проникновения в металл, должна уменьшиться на величину eφ. Энергетическая диаграмма представляет собой графическое представление потенциальной и кинетической энергии, а также их взаимоотношений. Это полезно для понимания того, как можно использовать энергию для преобразования и передачи энергии. Энергетическая диаграмма может быть полезна при проектировании устройств, которые используют и передают энергию.

Анализируя энергетическую диаграмму, мы видим графическое представление потенциальной и кинетической энергий, а также их взаимосвязей. Это представление полезно для понимания, как можно использовать энергию для преобразования и передачи. Кроме того, энергетическая диаграмма может быть полезна при разработке устройств, использующих и передающих энергию.

Рассмотрим два параметра: W₀ – энергия электрона, находящегося вне металла, и Ec – минимальная энергия электрона, требуемая для проводимости.

В данном случае W0 представляет собой совокупную энергию занятых уровней в системе, а Ec является определенной энергией в пространстве Фабри.

Потенциальная яма с глубиной eφ = W0 – Ec представляет собой разницу между совокупной энергией занятых уровней в системе, W0, и энергией, которая находится в пространстве Фабри, Ec.

Электронное устройство – это материальный объект, основанный на электрических принципах и предназначенный для выполнения определенных задач. Оно используется для организации и контроля электрических систем и обеспечения их работоспособности. С помощью электронных устройств можно увеличить эффективность работы систем и улучшить их безопасность.

Если энергия электрона W1 внутри металла меньше, чем W0, то у такого электрона не будет достаточно энергии для того, чтобы выбраться из металла.

Одним из способов достижения явления электронной эмиссии является предоставление дополнительной кинетической энергии электронам, находящимся внутри металла. Благодаря этому некоторые электроны могут быть избавлены от притяжения металла, а значит, из него будет исходить электронная эмиссия. При достаточно мощном разряде возникает обратный вибрационный ток, который может повлиять на процессы в анодированном проводнике.

Одним из видов электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — излучение электронов из поверхности металла под воздействием сильного электрического поля. При достаточно высоком токе происходит обратный вибрационный ток, который может внести изменения в процессы в анодированном проводнике.

Для примера мы взглянем на вакуумированную трубку, в которой с двух сторон примонтированы два электрода, один из которых имеет острый конец (катод), а другой представляет собой площадную поверхность.

Напряжение между катодом и анодом равно напряжению источника.

В качестве электрика мы знаем, что катод подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод – к положительному. При этом напряжение между ними будет равно напряжению, поступающему от источника.

В такой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее, чем в окружающем пространстве близ анода.

В случае когда радиус r равен a, в точке на поверхности сферического катода напряженность электрического поля составит:

Рассчитанное значение напряженности электрического поля на поверхности электрода составит 100 МВ/м, если напряжение между катодом и анодом будет равно 1000 вольт, а радиус катода составит 0,01 мм.

При таком расчёте получим, что напряженность электрического поля будет приблизительно равна 100 МВ/м.

При вакуумировании трубки на острие катода возникнет слабый электрический ток, который можно измерить микроамперами. Причиной являются электроны, которые отделяются от острия катода и становятся переносчиками этого тока.

И чем выше напряжение между катодом и анодом, тем больше тока будет вырабатываться. С помощью холодной эмиссии можно произвести излучение электронов , а также иметь возможность использовать их для целей, таких как различные научные исследования.

В случае холодной эмиссии, катод становится источником высокоэнергетических электронов, которые излучают при прямом приложении напряжения. Такое излучение называется холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией. Оно позволяет генерировать высокоэнергетические электроны, которые могут быть использованы для целей, таких как научные исследования.

При дальнейшем повышении напряжения, катод начнет повышать температуру до такой степени, что металл будет испаряться, а в процессе возникнет газовый разряд в трубке.

Это приводит к тому, что сила тяги на ионы происходит из-за их развития потенциального барьера.

Понятно, что автоэлектронная эмиссия происходит в результате действия сильного электрического поля возле катода. Это приводит к уменьшению потенциального барьера на поверхности металла, что в свою очередь приводит к снижению работы выхода для электронов. В результате сила тяги на ионы увеличивается из-за развития потенциального барьера.

На той стороне барьера всё более и более тонким становится, это означает, что вероятность, что электроны проникнут через него и покинут поверхность металла, увеличивается.

Для проявления электронной эмиссии при высокой напряженности электрического поля, достаточно даже низкой температуры катода. В этих условиях нет необходимости подогревать катод или использовать ультрафиолетовое или рентгеновское освещение, чтобы усилить эмиссию.

Не забываем, что мы изучали процесс распространения электронов в вакууме.

Для того, чтобы электроны и ионы в газе могли перемещаться и проводить ток, их необходимо изменить. Это может быть достигнуто путем применения внешнего электрического поля или путем использования специального источника излучения. Одним из примеров самостоятельного разряда в газе является процесс автоэлектронной эмиссии. В этом процессе воздух непосредственно подвергается термохимическому действию, из-за чего искра появляется на поверхности источника излучения. В результате этого процесса образуются ионы и электроны, которые могут проводить ток.

Пример самостоятельного разряда в газе: автоэлектронная эмиссия

В незаряженном виде газы не могут проводить электрический ток. Однако, применение внешнего электрического поля или использование специальных источников излучения может изменить их состояние, что позвол

Если применить к газу определенное внешнее воздействие, можно сделать его электропроводным.

Это вызывает искривление магнитного поля и последующее воздействие на электрическое поле.

Ультрафиолетовые лучи в атмосферном воздухе приводят к формированию заряженных частиц. Это накладывает воздействие на магнитное поле, которое, в свою очередь, представляет собой расширенную версию электрического поля.

При повышении температуры атомы газа начинают выделять электроны, что приводит к появлению положительных ионов и электронов в воздухе вместо нейтральных атомов. Это означает, что электроны и ионы будут создавать нейтрализирующие друг друга заряды, и в итоге мы получим электрический разряд.

Незадолго до этого некоторые электроны будут потеряны в процессе захвата нейтральными атомами, что приведет к появлению ионов с отрицательным зарядом в данном объеме.

Согласно закону Ома, скорость движения ионов упорядоченна и пропорциональна напряженности электрического поля E и подвижности ионов b:

При помощи этого закона можно определить подвижность ионов газа, которая выражается как средняя скорость, определенная при напряженности электрического поля равной 1 В/м. Напряженность электрического поля E и подвижность ионов b связаны между собой следующей зависимостью: V = bE, где V – скорость движения ионов.

Однако мы можем заметить, что подвижность отрицательных и положительных ионов различна: подвижность отрицательных ионов намного больше, чем подвижность положительных ионов. Это связано с тем, что отрицательные заряженные частицы находятся в газообразное состояние, и движение их по пути возмущения менее затруднено. В то же время положительные заряженные частицы представляют собой жидкие массы, поэтому перемещение их занимает больше времени.

Обычно, это правило действительно всегда, поскольку давление в газе примерно в десятых мм рт.ст., что уже достаточно для того, чтобы процесс происходил не в вакууме.

В результате перемещение ионов обратно зависит от давления газа в большом диапазоне значений. Это связано с тем, что электроны имеют малую массу и двигаются в газах за счет внешних полей.

Несмотря на то, что движение электронов в металлах происходит по законам природы несложно, движение ионов в газах оказывается значительно более сложным из-за их большой массы и наличия внешних сил.

В газе, ионы распределены неравномерно между электродами, в результате чего возникает градиент концентрации ионов между электронами, отвечающий за поток ионов по принципу диффузии.

В результате неравномерного распределения зарядов по пространству газа между электродами возникает неравномерность напряженности электрического поля. Поскольку противоположные заряды притягивают друг друга, распределение напряженности между электродами в газе не может быть равномерным.

Помимо того, присутствие заряженных частиц может быть вызвано ударной ионизацией производимой электронами, поэтому концентрация ионов может варьироваться в зависимости от напряжения электрического поля.

Все это приводит к тому, что Закон Ома не действует для газов.

В результате этого процесса, возможно, что электрон столкнется с атомом ионизирующего вещества и с ним соединится, а другой электрон вылетит из атома. После этого возникает двойная ионизация, которая дает появление дополнительного электрона в электронно-ионной лавине. Таким образом, возникает некий эффект лавины.

В процессе ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по лавинному принципу. Рассмотрим следующий сценарий: из катода вылетает электрон, который под действием электрического поля проходит свое свободное пробегание и приобретает кинетическую энергию. В результате может произойти столкновение электрона с атомом ионизирующего вещества, в этом случае возникает двойная ионизация, что приводит к появлению дополнительного электрона в электронно-ионной лавине. Таким образом, достиг

Когда накапливается энергия, которая превосходит энергию ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, происходит его ионизация. Атом становится положительным ионом, а в результате появляются два частицы: ион и электрон. Они начинают движение с определенной скоростью.

Электрики будут приближаться к аноду, тогда как положительные ионы будут двигаться к катоду.

Электроны после столкновений набирают энергию. Это приводит к тому, что через каждое соударение их количество увеличивается вдвое – от четырёх до восьми, от восьми до шестнадцати и так далее.

При движении электронов к аноду создается лавина, а к катоду – положительные ионы. Эти ионы и электроны вместе образуют поток электрической энергии.

Для простоты в исследованиях используется модель идеального газа, в которой ионизация обусловлена только столкновениями с электронами.

В соответствии с моделью идеального газа, коэффициент объемной ионизации α связан с количеством пар ионов и электронов, образованных на единице пути от одного электрона. В этой модели ионизация обусловлена лишь столкновениями электронов.

Напряженность электрического поля Е оказывает влияние на энергию электронов. Чем больше напряженность поля Е, тем больше энергия электронов. Зависимость между этими факторами отражается и в коэффициенте объемной ионизации α, который также изменяется в зависимости от значения поля Е.

Для вычисления необходимо взять правильное значение давления, чтобы получить точный результат.

Коэффициент α соотносится с давлением в газе. Для достижения точного результата, необходимо задать верное значение давления.

Для того, чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо обеспечить электронную лавину процессом поставки новых электронов, заменяя те, которые уходят на анод.

Вторичная электронная эмиссия – это процесс, при котором быстрые положительные ионы выбивают из катода электроны. Это важно для электрика, поскольку это позволяет в дальнейшем использовать электроны для получения желаемого результата.

В некоторых специфических ситуациях (при определенном напряжении), все действия в итоге приведут к автономному разряду .

Даже если бы лавина электронов могла бы продолжать бесконечно возрастать, цепь разряда всё равно бы оказалась преградой, из-за её сопротивления. При значительном увеличении тока напряжение на рассматриваемом промежутке понизится, а значит, и электрическое поле также уменьшится.

Таким образом, величина тока зависит от ЭДС источника и сопротивления цепи. Поэтому, имея на уме и принимая во внимание эти два параметра, мы можем определить конечное значение тока.

Во время грозы в нем появляется мощный электрический разряд. Сильное статическое напряжение приводит к разряду между двумя точками. Это происходит с большей скоростью, чем человек может заметить. В результате, атмосферный воздух разряжается в виде огненного яркого искрящего источника света. Этот эффект можно увидеть на рисунке.

Электрический разряд в атмосфере

Напрягая атмосферный воздух, мощный электрический разряд разделяет две точки настолько быстро, что глаз человека не может заметить. В результате создается эффект искрящего огня, который можно увидеть на картинке.

Для удобства можно сравнить его с разрывом в проводнике, при котором ток проходит по нему.

С ростом напряженности электрического поля между катодом и анодом мы будем наращивать давление и постепенно достигнем такого уровня, при котором между шарами появится электрическая искра. Это тонкий изогнутый светящийся канал, который будет соединять катод и анод. Процесс похож на разрыв проводника, при котором проходит ток.

Критическое значение электрической напряженности Е для воздуха при нормальных условиях составляет 3 МВ/м. Затем, при действии на воздух внешнего ионизатора, это значение понижается. Это приводит к пробою электрического тока.

По представленной выше схеме можно было бы предположить, что процесс искрения обусловлен электронной лавиной. Однако, это не так. Если бы абсолютно важную роль в искрении играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10-100 мкс, но на самом деле оно занимает всего лишь десятки наносекунд – в сотни раз меньше!

Эта теория объясняет, что искра появляется из-за нарастания потенциального разрыва между двумя точками, при котором происходит скачок напряжения, превышающий напряжение пробоя между ними. При этом расходящаяся из этих точек искра производит огромное количество энергии.

Процесс формирования искры можно хорошо объяснить при помощи стримерной теории. Согласно этой теории, искра появляется в результате быстрого разрыва потенциального разрыва между двумя точками, при котором происходит скачок напряжения выше напряжения пробоя. Исходящая из этих точек искра способна производить огромное количество энергии.

Это так называемый плазменный поток.

Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц с небольшим свечением. Так называемый плазменный поток делает его видимым для нас.

Между катодом и анодом просачиваются частицы, благодаря которым появляются многочисленные проводящие каналы, достаточные для того, чтобы создавать мощные токи электронов.

В этом случае на первое место выходят электронные лавины ударной ионизации, которые обеспечивают повышенное ионизационное давление газа и производят интенсивное излучение самого искрового разряда. При этом ионизация газа происходит на расстоянии меньше миллиметра от источника ионизации.

Освещение катода способствует возникновению первой электронной лавины возле него, а в точках, расположенных далеко впереди, начинают формироваться новые лавины, вызванные фотоионизацией, инициированной предыдущей лавиной.

По этому каналу электрические силы передаются через контактные площадки.

Увеличение потока электрической энергии приводит к слиянию нескольких лавин, и порождает характерный канал с высокой проводимостью. Этот канал посредством контактных площадок служит для прохождения электрических сил.

Поэтому путь, который пройдет стример-«искра», значительно превышает путь, проходимый первой лавиной. Это два разных типа токов, и оба могут использоваться электриками для проведения различных работ.

Электрики используют два разных типа токов для проведения различных работ: параллельные стримеры, распространяющиеся от катода к аноду (отрицательные стримеры), и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.