Elektrický prúd v kvapalinách a plynoch
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 21. ledna 2007
- Zobrazeno: 16509×
Příbuzná témata
Elektrický prúd v kvapalinách a plynoch
Ak urobíme pokus s nádobou s destilovanou vodou, miliampérmeter neukazuje žiadnu výchylku. Ona nevedie elektrický prúd. Po pridaní kuchynskej soli vedie. Vodným roztokom chloridu sódneho prechádza elektrický prúd, lebo tento roztok obsahuje soľné častice s nábojom - kladné ióny Na+ a záporné ióny Cl- V kvapalinách sprostredkujú elektrický prúd voľné pohyblivé kladné a záporné ióny (katióny a anióny). Vznik voľných iónov rozpadom rozpustnej látky v rozpúšťadle nazývame elektrolytická disociácia. Vodivé roztoky nazývame elektrolyty. Elektrolytmi sú napr. vodné roztoky solí (napr. NaCl, KCl), kyselín (napr. H2SO4,HNO3) a zásad (napr. KOH, NaOH). Ióny spolu s molekulami rozpúšťadla vykonávajú ustavične neusporiadaný pohyb.Keď do elektrolytu vložíme dve elektródy a zapojíme ich na svorky jednosmerného zdroja napätia, vznikne medzi elektródami vnútri elektrolytu elektrické pole, ktoré vyvolá usmernený pohyb iónov v roztoku. Katióny sa začnú pohybovať ku katóde (elektróde zapojenej na zápornú svorku zdroja) a anióny k anóde (elektróde zapojenej na kladnú svorku zdroja). S prenosom náboja nastáva aj prenos látky.
Usporiadaný pohyb iónov v elektrickom poli medzi elektródami tvorí elektrický prúd v elektrolytoch. Podľa dohody je smer prúdu určený smerom pohybu kladných iónov.
Len čo na elektródy zapojíme malé napätie, miliampérmeter zaznamená malý prúd, ktorý rýchlo zanikne. Pri pomalom zvyšovaní napätia sa jav vždy opakuje, t.j. začiatočný prúd vždy zanikne. Trvalý prúd vzniká, keď prekročíme isté medzné napätie Ur nazvané rozkladné napätie. Potom sa prúd s napätím lineárne zväčšuje. Priebeh prúdu I v závislosti od napätia U je graficky znázornený na obrázku.
Pre U väčšie ako Ur, je prúd lineárnou funkciou napätia, takže platí U=Ur+RI, kde R je za stálej teploty konštanta a nazýva sa odpor elektrolytu. So zvyšovaním teploty klesá viskozita rozpúšťadla, čim sa zmenšujú sily, ktoré brzdia pohyb iónov. Ióny sa v elektrickom poli pohybujú rýchlejšie, preto je elektrický prúd väčší. Vzťah U=Ur+RI sa odlišuje od Ohmovho zákona pre kovy členom Ur. No za istých podmienok platí aj pre elektrolyty Ohmov zákon v tvare U=RI. Pôvod člena Ur súvisí s chemickými dejmi, ktoré prebiehajú na elektródach.
Faradayové zákony elektrolýzy
Pokus 1: Do vodného roztoku modrej skalice (CuSO4) ponoríme medenú anódu a uhlíkovú katódu. Roztokom necháme prechádzať elektrický prúd.
Proces, ktorý prebehne je znázornený na nasledujúcej schéme:
katóda anóda
C CuSO4 -> Cu2+ + SO42- Cu
Cu2+ SO42-
---- ------
Cu CuSO4
Kationy medi Cu2+ sa prijímajú na katóde, elektróny sa vylučujú ako atómy medi a tvoria na katóde medený povlak. Anióny SO42- reagujú s materiálom anódy a tvoria nové molekuly CuSO4. Na anóde sa teda z roztoku nič nevylučuje, naopak meď z anódy prechádza do roztoku.
Pokus 2: Opakujeme pokus 1, ale s použitým platinových elektród. Aj v tomto prípade sa na katóde vylučuje meď. Anióny SO42- reagujú s vodou za vzniku kyseliny sírovej H2SO4 Na anóde sa vylučuje plynný kyslík.
Pokus 3: Pri treťom pokuse použijeme roztok HCl a platinové elektródy. Na katóde sa vylúči vodík, na anóde chlór, ktorý reaguje s vodou a vylúči sa kyslík.
Z výsledkov pokusov vyplýva: Usporiadaný pohyb iónov v elektrolyte sa končí na elektródach, kde ióny odovzdávajú náboje a vylučujú sa na povrchu elektród ako atómy alebo molekuly, alebo chemicky reagujú s materiálom elektródy, alebo s elektrolytom. Dej, pri ktorom prechodom elektrického prúdu elektrolytom nastávajú látkové zmeny, nazývame elektrolýza. Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje vodík alebo kov.
Vedenie elektrického prúdu v elektrolytoch študoval anglický fyzik M.FARADAY. Na základe pokusov zistil, že hmotnosti látok vylúčených na elektródach sú priamo úmerné celkovému náboju, ktorý priniesli pri elektrolýze ióny - 1.Faradazov zákon. Tento experimentálne získaný poznatok vyjadríme pre každú látku vzťahom m = A Q = A I t.
Veličina A sa nazýva elektrochemický ekvivalent látky, pre danú látku je to charakteristická konštanta, jej jednotkou je kg.C-1.
Fyzikálny význam elektrochemického ekvivalentu látky objasníme z hľadiska cedenia prúdu v elektrolytoch touto úvahou: Keď Nv je hustota príslušného druhu iónov v elektrolyte, vp ich priemerná unášavá rýchlosť a m0 hmotnosť každého iónu, potom plochou s obsahom S prejde za dobu t celkom N iónov, pričom N = Nv.V=Nv.S.vp.t. Celková hmotnosť iónov je m=m0.N=m0.Nv.S.vp.t (1). Označme Q1=v.e hodnotu náboja iónu, kde v je prirodzený násobok elementárneho náboja. Potom celkový prenesený náboj Q má hodnotu Q=N.Q1=N.v.e=Nv.S.vp.e.v.t (2). Delením rovníc(1) a (2) dostaneme m/Q=m0/ve=konštanta=A. Rozšírením vzťahu Avogardrovou konštantou NA dostaneme
m0NA Mm
A = ---- = ----
v e NA v F
kde Mm je mólová hmotnosť a F=e.NA Faradayova konštanta. Možno teda napísať
1 Mm Mm
A = -- --- , po dosadení dostaneme: m = ----- Q
F v F V
Keď elektrolýza prebehne s rozličnými elektrolytmi, pričom celkový prenesený náboj Q bude vždy rovnaký, potom Q / F = konštanta.
a m ~ Mm/v.
Hmotnosti rozličných prvkov (alebo radikálov) vylúčených pri elektrolýze tým istým nábojom sú chemicky ekvivalentné - 2. Faradayov zákon.
Galvanické články
Keď kovovú elektródu ponoríme do vodného roztoku soli toho istého kovu, prebehne redoxný chemický dej, pri ktorom buď do roztoku vstupujú z kovu ďalšie ióny, buď sa z neho vylučujú. Tým sa roztok nabíja v prvom prípade kladne a kov súčasne záporne (napr. Zinková elektróda ponorená do vodného roztoku ZnSO4), v druhom prípade je to opačné (napr. medená elektróda vo vodnom roztoku CuSO4). V oboch prípadoch na rozhraní kovu a roztoku vznikne tenká vrstva, ktorú nazývame elektrická dvojvrstva. V nej utvorené elektrické pole bráni prechodu ďalších iónov z kovu do roztoku (alebo obrátene) a preto sa utvorí rovnovážny stav.
Elektrickej dvojvrstve prislúcha napätie, ktorého hodnota je rozličná pre rôzne kovy a ich vodné roztoky. (Závisí rovnako od teploty a tlaku). Na elektródach z rovnakého materiálu sú v danom elektrolyte napätia na dvojvrstvách rovnaké, preto sa napätie medzi elektródami rovná nule. Ak sú elektródy z chemicky rozličných materiálov, tak po ponorení do elektrolytu je medzi nimi nenulové napätie, ktoré sa volá elektromotorické napätie a opísaná sústava tvorí galvanický článok.
Gavlanický článok je zdroj jednosmerného napätia, ktorý sa skladá z elektrolytu a dvoch chemicky odlišných elektród.
Príkladom opisného článku je Daniellov článok. Skladá sa zo zinkovej elektródy ponorenej do vodného roztoku ZnSO4 a medenej elektródy ponorenej do vodného roztoku CuSO4. Oba roztoky sú od seba oddelené pórovitou stenou, ktorá zabraňuje zmiešaniu roztokov, ale umožňuje prechod iónov. Elektromotorické napätie tohto článku Ue=1.1 V.
Uvažujme o prípade, keď do elektrolytu ponoríme dve elektródy z rovnakého kovu a k elektródam pripojíme vonkajší zdroj napätia. V dôsledku elektrolýzy vzniknú v článku rozkladné produkty, ktoré zmenia povrch elektród. Na katóde sa vylučuje vodík a na anóde kyslík. Na novo vzniknutých dvojvrstvách je iné napätie ako pred pripojením zdroja a napätie medzi elektródami je nulové. Elektródy sa polarizovali. Presvedčíme sa o tom, ak zdroj vonkajšieho napätia odpojíme a elektródy necháme vodivo spojené cez potenciometer a miliampérmeter. Ten ukáže opačného smeru, ako bol predtým.
Elektromotorické napätie, ktoré vzniklo polarizáciou elektród, tzv. polarizačné napätie, má opačnú polaritu, ako napätie zdroja pôvodne zapojeného na elektródy.
Polarizačné napätie má hornú hranicu - rozkladné napätie Ur, preto vonkajším napätím možno v obvode udržiavať trvalý prúd.
Polarizácia elektród môže tiež nastať, ak vodivo spojíme elektródy galvanického článku. Takýto prípad nastane napr. vo Voltovom článku Zn(H2SO4+H20)Cu+ s elektromotorickým napätím asi 1 V. Elektrolýzou, ktorá prebieha vo vnútri článku, medená elektróda sa pokrýva vodíkovými bublinami a vzniká polarizovaný článok s opačným elektromotorickým napätím. Napätie Voltovho článku postupne klesá, článok je nestály.
Praktický význam majú dosiaľ suché články, ktoré sa používajú na napájanie magnetofónov. Kladnou elektródou suchého článku je uhlíková tyčka s mosadznou čiapočkou. Je obalená zmesou burelu MnO2 a koksu, ktorá pôsobí ako depolarizátor. Takto upravená elektróda je ponorená do salmiaku NH4Cl zahustený škrobovým mazom a inými prísadami. Všetko je uložené v zinkovej nádobke tvaru valčeka. Valček je súčasne zápornou elektródou. Zhora je článok zaliaty asfaltom. Tri články za sebou - plochá batéria.
Osobitný druh - akumulátor. Je to polarizačný článok, ktorý sa stáva zdrojom elektromotorického napätia po predchádzajúcom prechode elektrického prúdu elektrolytom akumulátora alebo nabíjaním.
Najznámejší je olovený akumulátor, v ktorom sa nabíjaním utvorí článok +PbO2(H2SO4+H2O)Pb-.
Pri vybíjaní akumulátora, t.j. pri použití akumulátora ako zdroja napätia, prebiehajú v ňom tieto deje:
1. Záporná olovená elektróda uvoľňuje ióny Pb2+, ktoré reagujú s kyselinou sírovou. Vzniká PbSO4, ktorá sa usadzuje na tejto elektróde.
2. Na kladnej elektróde sa PbO2 redukuje na ióny Pb2+, ktoré reagujú s H2SO4 za vzniku nerozpustného síranu olovnatého. Ten sa usadzuje na tejto elektróde. V elektróde sa pritom zmenšuje koncentrácia H2SO4, elektromotorické napätie pomaly klesá. Pri hodnote 1,8 V treba akumulátor znova nabiť.
Kapacita akumulátora sa určuje celkovým nábojom, ktorý je akumulátor schopný vydať pri vybíjaní. Meria sa v coulomboch, v praxi tiež v ampérhodinách.
Technické využitie elektrolýzy
Vylučovanie kovov na katóde, využíva sa v elektrometalurgii, galvanostégii (galvanickom pokovaní), galvanoplastike (vytváraní odliatkov, matríc na výrobu gramofónových platní).
Veľké využitie elektrolytický kondenzátor. V hliníkovej nádobke je elektrolyt, do ktorej je ponorená hliníková elektróda.
Koróziou nazývame porušenie povrchu kovu chemickým alebo elektrochemickým pôsobením. Najčastejším typom korózie je oxidácia kovov účinkom vzdušného kyslíka a vlhkosťou vzduchu.
Plyny nevedú elektrický prúd, o čom sa môžeme presvedčiť pokusom s nabitým elektroskopom. Vybíjanie sa urýchli zmenou fyzikálnych podmienok plynného prostredia (vzduchu), napr.
zohriatím na vysokú teplotu, ožiarením intenzívnymi ultrafialovými, röntgenovými a rádioaktívnymi lúčmi. Tieto energetické zdroje zmenia vnútornú energiu plynov a utvoria v nich voľné častice s nábojom. Plyny sa tak stanú elektrickým vodičom.
Elektrický prúd môžu viesť aj plyny za predpokladu, že budú obsahovať voľné častice s nábojom.
Plyny sú zložené z elektricky neutrálnych atómov a molekúl a za normálnych podmienok sú takmer nevodivé. Elektricky vodivými sa stanú ionizáciou. Je to dej, pri ktorom sa vonkajším zásahom odtrhávajú z atómov neutrálnych molekúl elektróny. Zvyšky molekúl sú kladné ióny.
Okrem dvojice elektrón - kladný ión sa môžu utvoriť aj záporné ióny pripojením uvoľnených elektrónov k iným neutrálnym molekulám. Túto schopnosť majú najmä elektronegatívne prvky.
Prostriedky, ktorými sa vyvoláva ionizácia plynu, nazývajú sa ionizátory. Ionizátorom je každý zdroj energie, ktorý poskytuje elektrónom v atómoch (molekulách) energiu potrebnú na ich uvoľnenie.
Plyn s dostatočne vysokou teplotou obsahuje molekuly s rýchlosťami oveľa väčšími, ako je stredná kvadratická rýchlosť molekúl a ich kinetické energie sú dostatočne veľké na to, aby nastala ionizácia vzájomnými zrážkami molekúl. Rovnaký účinok majú aj veľmi rýchle a nabité častice korpuskulárneho žiarenia alebo ionizované molekuly plynu urýchlené elektrickým poľom. Táto ionizácia sa nazýva ionizácia nárazom. Najmenšia energia potrebná na uvoľnenie elektrónu sa nazýva ionizačná energia. Vyjadruje sa v elektrónvoltoch (eV), pričom 1eV=1.602.10-19J. Ionizačná energia závisí od atómu prvku a energetického stavu uvoľňovaných elektrónov.
Kinetická energia nabitej častice s nábojom e, hmotnosťou m a rýchlosťou v sa meria prácou síl homogenného elektrického poľa s intenzitou veľkosti |E| potrebnou na jej
urýchlenie z pokoja po dráhe l. Platí 1
- m v2= e | E | l
2
Za predpokladu, že častica sa pohybuje s smere siločiar a pri zrážke odovzdáva molekule všetku kinetickú energiu rovnajúcu sa ionizačnej energii Ei, bude l= (stredná voľná dráha častice). Potom najmenšiu rýchlosť, ktorú musí mať častica, aby pri zrážke s molekulou nastala ionizácia, vypočítame:
1
- m v2 = e | E | = Ei
2
Ionizáciou utvorené voľné elektróny a ióny majú obmedzenú dobu trvania, lebo sa navzájom priťahujú a ich počet sa rýchlo zmenšuje. Dvojice opačne nabitých častíc sa spájajú do neutrálnych molekúl.
Tento dej sa nazýva rekombinácia.
Ionizácia a rekombinácia prebiehajú súčasne, všeobecne môže jeden z dejov prevládať. Podľa toho sa mení aj hustota voľne nabitých častíc. Keď prevláda ionizácia, zväčšuje sa počet ionizovaných molekúl aj vodivosť plynu. V opačnom prípade plyn stráca elektrickú vodivosť.
Kladné ióny sa pohybujú k záporne nabitej platni, kde priberajú elektróny a stávajú sa elektricky neutrálnymi časticami. Záporné ióny a elektróny sa pohybujú ku kladnej platni, kde odovzdávajú elektróny a vznikajú tiež neutrálne častice. Elektróny sa potom zúčastňujú na cedení elektrického prúdu v kovových vodičoch obvodu. elektrický prúd v plynoch je spôsobený usporiadaným pohybom voľných elektrónov a iónov. Nazýva sa výboj.
Elektrický prúd vedie iba ionizovaný plyn. Keď totiž odstránime ionizátor, ióny rýchlo zanikajú rekombináciou. Prúd sa udržuje iba počas pôsobenia ionizátora, preto hovoríme o nesamostatnom výboji. Keď výboj pokračuje aj po odstránení ionizátora, hovoríme o samostatnom výboji. Elektrické napätie, pri ktorom vzniká samostatný výboj, nazýva sa zápalné napätie.
Vodivý plyn môže teda byť súčasťou elektrického obvodu ako ktorýkoľvek vodič. V praxi musí byť uzavretý v banke (rúrke), lebo ľahko difunduje do okolia.
Voltampérová chrakteristika výboja
Pri skúmaní výboja použijeme ionizačnú komoru.
Je to v podstate platňový kondenzátor C, ktorý je izolovane umiestený v kovovej škatuli s okienkom O pre pôsobiaci ionizátor a pripojený cez galvanometer na zdroj napätia B.
So zväčšovaním napätia na platniach kondenzátora zväčšuje sa aj prúd. Keď sa napätie zväčšuje, elektrické pole urýchli ióny a elektróny tak, že nestačia rekombinovať, ale čoraz vo väčšom počte zanikajú zachytením sa na platničkách. Prúd sa stáva nasýteným pri napätí Un, keď sú všetky ióny utvorené ionizátorom zachytené platňami. Prúd dosiahne hodnotu In, čo je tzv. nasýtený prúd.
Ďalšie pozvoľné zvyšovanie napätia nespôsobuje zvyšovanie prúdu. Samostatný výboj nastáva pri oveľa vyššom napätí, t.j. pri zápalnom napätí Uz. Prechod z nesamostatného na samostatný výboj nazývame elektrický prierez plynu.
Graf závislosti prúdu I elektrického výboja od napätia U medzi elektródami sa nazýva voltampérová charakteristika výboja. Z obrázka vidieť, že pri malých napätiach platí Ohmov zákon (priamková časť OA), ale pre nasýtený prúd (úsek AB) a samostatný výboj neplatí.
Charakter samostatného výboja v plynoch závisí od chemického zloženia plynu, jeho teploty, tlaku, kvality elektród, od ich vzdialenosti.
Elektrický výboj býva väčšinou sprevádzaný svetelnými a zvukovými efektmi.
Samostatný výboj prebieha odlišne v závislosti od hodnoty prúdu. Pri malej hodnote prúdu pozorujeme slabé svetielkovanie plynu; to je tlejivý elektrický výboj. Pri väčších hodnotách prúdu sa odovzdávanie energie veľkého počtu iónov dopadajúcich na elektródy prejaví rozžeravením elektród, ktoré sa tak stávajú ionizátormi (tepelné ionizácia). Teplota plynu sa prudko zvyšuje až na hodnotu 6000 K. Napätie medzi elektródami klesá. To je oblúkový výboj (elektrický oblúk).
Najintenzívnejšie výboje sú krátkodobé, ktoré prebiehajú ako iskrový výboj (elektrická iskra). Tvoria ho elektrónové a iónové lavíny v iskrových kanálikoch, v ktorých sa tlak zvyšuje na desiatky MPa a teplota na 105 K.
Ďalšou formou samostatného výboja je koróna. Vzniká v blízkosti vodičov vo vzduchu, ktoré sú pod vysokým napätím a dostatočne od seba vzdialené. Ionizácia vzduchu prebieha na miestach veľkej zmeny elektrického potenciálu (zakrivené miesta a hroty vodičov), teda v blízkosti vodiča. koróna spôsobuje veľké energetické straty.
Tlejivý elektrický výboj sa využíva pri konštrukcii tlejiviek a žiaroviek. Tlejivka má dve elektródy, ktoré majú tvar krúžka a klobúčika alebo dvoch rovnobežne vinutých špirál. Plnená je vzácnym plynom. Oblúkový výboj sa používa pri oblúkovom zváraní a v osvetľovacích výbojkách. Osvetľovacie výbojky sa používajú na pouličné osvetlenie. Veľmi rozšírené sú ortuťové a sodíkové výbojky. Energeticky výhodnejšie sú sodíkové výbojky, ktoré svietia žltým svetlom. Výbojom v parách ortuti vzniká ultrafialové žiarenie, ktoré vyvoláva svetielkovanie látok nanesených na vnútornej stene sklenej výbojky trubice. Tak svietia napr. žiarivky, ktorých svetelná účinnosť je asi 4krát väčšia v porovnaní so žiarovkami s rovnakým príkonom.
Vlastnosti iskrového výboja sa využíva napr. pri iskrovom obrábaní kovov.
Katódové žiarenie
Pri dosiahnutí tlaku asi 670 Pa sa v trubici objaví tlejivý výboj s charakteristickými znakmi.
Takmer celá trubica je zaplnená svietiacim plynom červenej farby (1) tzv. anódovým svetlom, ktoré je od modrastého katódového svetla (3) oddelené tmavým priestorom (2). V tesnej blízkosti katódy je tenká svietiaca vrstva (5) a pred ňou slabo svietiaca vrstva (4), ktorá sa kontrastne javí ako tmavá.
Výboje sa tvoria v oblasti katódy, kde je prudká zmena elektrického potenciálu. Tým sa kladné ióny veľmi urýchľujú a dopadom na katódu vyvolajú uvoľnenie elektrónov z kovu katódy. Elektróny postupujú k anóde a ionizujú molekuly zriedeného plynu, čím sa tvoria nové elektróny a kladné ióny.
Počet voľných elektrónov sa vzdialenosťou od katódy k anóde zväčšuje (elektrónová lavína).
Anódové svetlo vzniká pôsobením voľných elektrónov na atómy plynu. Jeho farba závidí od použitého plynu a jeho tlaku v trubici. Výbojové trubice (uprostred vhodne zúžené) s anódovým svetlom sú vhodnými zdrojmi svetla na spektrálne účely.
Pri ďalšom zrieďovaní vzduchu v trubici sa tmavé priestory rozširujú, intenzita svetla sa zmenšuje, až pri tlaku asi 2.5 Pa anódové svetlo zmizne. Aj tak trubicou prechádza elektrický prúd, ktorý sprostredkuje elektróny. Tieto elektróny vyletujú kolmo z katódy účinkom elektrického poľa a takmer bez zrážok doletia do priestoru anódy, kde spôsobia žltozelené svetielkovanie. Ich dopadom sa anóda zohrieva. Tok elektrónov z katódy vo vyčerpanej trubici nazývame katódové žiarenie.
V praxi sa zo súboru letiacich elektrónov vymedzuje úzky zväzok, ktorý sa nazýva elektrónový lúč.
S elektrónovými lúčmi sa pracuje výlučne vo vákuu. Majú špecifické vlastnosti a mnohostranné praktické využitie:
1. Ionizujú vzduch a ostatné plyny. To sa využíva na získavanie iónov pre urýchlovače, v ktorých ióny získavajú veľké energie.
2. Miesto dopadu sa zohrieva. Prakticky sa to využíva pri tavení kovov a zváraní elektrónovým lúčom.
3. Prenikajú veľmi tenkými materiálmi a rozptyľujú. Časť elektrónov sa pritom odrazí aj od povrchu, preto možno elektrónový lúč využiť na výskum povrchu pevných látok.
4. Spôsobujú svetielkovanie látok. Na tejto vlastnosti sú založené prístroje s obrazovkou, napr. televízny prijímač, osciloskop, rádiolokátor. Majú aj chemický účinky - pôsobia na fotografický materiál.
5. Vyvolávajú neviditeľné röntgénové žiarenia, ak dopadajú na kovové materiály s veľkou relatívnou atómovou hmotnosťou. Pomocou röntgenového žiarenia sa robia diagnostické vyšetrenia rozličných častí ľudského tela, zisťuje sa štruktúra kryštálov a defekty (trhliny) v materiáloch.
6. Vychyľujú sa v elektrickom a magnetickom poli. Táto vlastnosť sa využíva v prístrojoch s obrazovkou na záznam dynamických procesov.
Voľné elektróny nemôžu opustiť kov, lebo sú priťahované kladnými iónmi. Ich potenciálny energia je vnútri kovu menšia ako na jeho povrchu. Keď však voľné elektróny získajú dostatočnú kinetickú energiu, napr. tepelnou výmenou alebo ožiarením, môžu kov opustiť.
Uvoľňovanie elektrónov z povrchu pevných alebo kvapalných telies pri vysokej teplote nazývame termoemisia.
Mierou najmenšej energie potrebnej na uvoľnenie elektrónu z kovu je výstupná práca W. Závisí od druhu kovu, čistoty jeho povrchu.
Najvýznamnejšou vákuovou elektrónkou je obrazová elektrónka, stručne obrazovka.
Je to dokonale vyčerpaná sklená trubica, ktorá má prednú stenu zvnútra pokrytú vrstvou ZnS s nepatrným množstvom Ag. Je to tienidlo obrazovky.
Zdrojom elektrónov je rozžeravené vlákno katódy obklopené riadiacou elektródou obrazovky (tzv. Wehneltov valec) a malým kruhovým otvorom. Ním sa vyletujú elektróny v podobe elektrónového lúča a sú urýchľované elektrickým poľom. Potom sa elektrónový lúč dostáva do priestoru vychyľovacieho systému obrazovky. Sú to dva páry vychyľovacích doštičiek, ktoré postupne svojím elektrickým poľom vychyľujú elektrónový lúč do zvislého smeru a vodorovného smeru. Takto upravený elektrónový lúč sa ešte urýchľuje urýchľovacou anódou.