Emisja termionowa

Zbliżenie żarnika w niskociśnieniowej rtęciowej lampie wyładowczej , przedstawiające białą powłokę termoemisyjnej mieszanki na środkowej części cewki. Zwykle wykonana z mieszaniny tlenków baru , strontu i wapnia , powłoka jest rozpylana podczas normalnego użytkowania, co ostatecznie prowadzi do awarii lampy .

Jedna z żarówek, dzięki której Edison odkrył emisję termionową. Składa się z próżniowej szklanej żarówki zawierającej włókno węglowe (w kształcie spinki do włosów) , z dodatkową metalową płytką przymocowaną do wyprowadzonych z podstawy przewodów. Elektrony uwolnione przez włókno były przyciągane do płytki, gdy miała ona dodatnie napięcie.

Emisja termionowa (znana również jako termiczna emisja elektronów lub efekt Edisona ) to uwalnianie elektronów z elektrody pod wpływem jej temperatury (uwalnianie energii dostarczanej przez ciepło ). Dzieje się tak, ponieważ energia cieplna przekazywana nośnikowi ładunku pokonuje funkcję pracy materiału. Nośnikami ładunku mogą być elektrony lub jony , aw starszej literaturze są one czasami określane jako termiony . Po emisji ładunek, który jest równy co do wielkości i ma przeciwny znak do całkowitego wyemitowanego ładunku, jest początkowo pozostawiany w obszarze emitującym. Ale jeśli emiter jest podłączony do akumulatora, pozostawiony ładunek jest neutralizowany przez ładunek dostarczany przez akumulator, gdy emitowane nośniki ładunku oddalają się od emitera, a ostatecznie emiter będzie w tym samym stanie, w jakim był przed emisją.

Klasycznym przykładem emisji termojonowej jest emisja elektronów z gorącej katody do próżni w rurze próżniowej . Gorącą katodą może być włókno metalowe, powlekane włókno metalowe lub oddzielna struktura metalu lub węglików lub borków metali przejściowych. Emisja próżni z metali staje się znacząca tylko w temperaturach powyżej 1000 K (730 ° C; 1340 ° F).

Proces ten ma kluczowe znaczenie w działaniu różnych urządzeń elektronicznych i może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej (takich jak konwertery termojonowe i linki elektrodynamiczne ) lub chłodzenia. Wielkość przepływu ładunku gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Termin „emisja termionowa” jest obecnie używany również w odniesieniu do dowolnego procesu emisji ładunku wzbudzonego termicznie, nawet jeśli ładunek jest emitowany z jednego obszaru ciała stałego do drugiego.

Historia

Efekt Edisona w lampie diodowej. Rurka diodowa jest połączona w dwóch konfiguracjach; jeden ma przepływ elektronów, a drugi nie. (Strzałki reprezentują prąd elektronowy, a nie prąd konwencjonalny ).

Ponieważ elektron nie został zidentyfikowany jako oddzielna cząstka fizyczna aż do pracy JJ Thomsona w 1897 roku, słowa „elektron” nie używano przy omawianiu eksperymentów, które miały miejsce przed tą datą.

Zjawisko to zostało po raz pierwszy opisane w 1853 roku przez Edmonda Becquerela . Został ponownie odkryty w 1873 roku przez Fredericka Guthrie w Wielkiej Brytanii. Pracując nad naładowanymi przedmiotami, Guthrie odkrył, że rozpalona do czerwoności żelazna kula z ładunkiem ujemnym traci swój ładunek (poprzez wyładowanie go w jakiś sposób w powietrze). Odkrył również, że tak się nie dzieje, jeśli kula ma ładunek dodatni. Inni wcześni współpracownicy to Johann Wilhelm Hittorf (1869–1883), Eugen Goldstein (1885) oraz Julius Elster i Hans Friedrich Geitel (1882–1889).

Efekt ten ponownie odkrył Thomas Edison 13 lutego 1880 r., gdy próbował odkryć przyczynę pękania żarników lamp i nierównomiernego czernienia (najciemniejszego w pobliżu bieguna dodatniego żarnika) żarówek w swoich żarówkach .

Edison zbudował kilka eksperymentalnych żarówek z dodatkowym drutem, metalową płytką lub folią wewnątrz żarówki, która była oddzielona od żarnika i dzięki temu mogła służyć jako elektroda. Podłączył galwanometr , urządzenie służące do pomiaru prądu (przepływu ładunku), do wyjścia dodatkowej metalowej elektrody. Jeśli folia została umieszczona na potencjale ujemnym w stosunku do żarnika, nie było mierzalnego prądu między żarnikiem a folią. Kiedy folia została podniesiona do dodatniego potencjału w stosunku do żarnika, może wystąpić znaczny prąd między włóknem przez próżnię a folią, jeśli włókno zostało wystarczająco podgrzane (przez własne zewnętrzne źródło zasilania).

Teraz wiemy, że włókno emitowało elektrony, które były przyciągane do dodatnio naładowanej folii, ale nie do ujemnie naładowanej folii. Ten jednokierunkowy prąd nazwano efektem Edisona (chociaż termin ten jest czasami używany w odniesieniu do samej emisji termionowej). Odkrył, że prąd emitowany przez gorące włókno gwałtownie wzrastał wraz ze wzrostem napięcia i złożył wniosek patentowy na urządzenie regulujące napięcie wykorzystujące efekt 15 listopada 1883 r. (patent USA 307 031, pierwszy patent USA na urządzenie elektroniczne). Odkrył, że przez urządzenie przepływa prąd wystarczający do obsługi sygnalizatora telegraficznego. Zostało to wystawione na Międzynarodowej Wystawie Elektrycznej w Filadelfii we wrześniu 1884 r. William Preece , brytyjski naukowiec, zabrał ze sobą kilka żarówek z efektem Edisona. Przedstawił na ich temat artykuł w 1885 r., W którym określił emisję termionową jako „efekt Edisona”. Brytyjski fizyk John Ambrose Fleming , pracujący dla brytyjskiej firmy „Wireless Telegraphy”, odkrył, że efekt Edisona można wykorzystać do wykrywania fal radiowych. Fleming opracował dwuelementową lampę próżniową znaną jako dioda , którą opatentował 16 listopada 1904 roku.

Diodę termoelektryczną można również skonfigurować jako urządzenie, które przekształca różnicę ciepła w energię elektryczną bezpośrednio bez ruchomych części (konwerter termoelektryczny , rodzaj silnika cieplnego ).

Prawo Richardsona

Po zidentyfikowaniu elektronu przez JJ Thomsona w 1897 r. Brytyjski fizyk Owen Willans Richardson rozpoczął pracę nad tematem, który później nazwał „emisją termionową”. Otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1928 roku „za pracę nad zjawiskiem termionowym, a zwłaszcza za odkrycie prawa nazwanego jego imieniem”.

Zgodnie z teorią pasmową na atom w ciele stałym przypada jeden lub dwa elektrony , które mogą swobodnie przemieszczać się z atomu na atom. Czasami określa się to zbiorczo jako „morze elektronów”. Ich prędkości są zgodne z rozkładem statystycznym, a nie jednorodnym, i czasami elektron będzie miał wystarczającą prędkość, aby opuścić metal bez ponownego przyciągania. Minimalna ilość energii potrzebna do opuszczenia powierzchni przez elektron nazywana jest pracą wyjścia . Praca wyjścia jest charakterystyczna dla materiału i dla większości metali jest rzędu kilku elektronowoltów . Prądy termionowe można zwiększyć, zmniejszając funkcję wyjścia. Ten często pożądany cel można osiągnąć, nakładając na drut różne powłoki tlenkowe.

W 1901 roku Richardson opublikował wyniki swoich eksperymentów: prąd z nagrzanego drutu wydawał się zależeć wykładniczo od temperatury drutu w postaci matematycznej podobnej do równania Arrheniusa . Później zaproponował, aby prawo emisyjne miało postać matematyczną

${\ Displaystyle J = A _ {\ operatorname {G}} T ^ {2} \ operatorname {e} ^ {- W \ ponad kT}}$

gdzie J to gęstość prądu _emisji , T to temperatura metalu, W to praca wyjściowa metalu, k to stała Boltzmanna , a AG to parametr omówiony dalej.

W latach 1911-1930, wraz ze wzrostem fizycznego zrozumienia zachowania elektronów w metalach, _Richardson , Saul Dushman , Ralph H. Fowler , Arnold Sommerfeld i Lothara Wolfganga Nordheima . Ponad 60 lat później wśród zainteresowanych teoretyków nadal nie ma zgody co do dokładnego wyrażenia AG , ale istnieje zgoda co do tego, że _A G _należy zapisać w postaci:

${\ Displaystyle A _ {\ operatorname {G}} = \; \ lambda _ {\ operatorname {R}} A_ {0}}$

₀ gdzie λ _R jest współczynnikiem korygującym specyficznym dla materiału, który zwykle jest rzędu 0,5, a A jest stałą uniwersalną określoną przez

${\ Displaystyle A_ {0} = {4 \ pi mk ^ {2} q_ {e} \ ponad h ^ {3 }}=1,20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}} }$

gdzie m i $}}$ to odpowiednio masa i ładunek elektronu, a h to stała Plancka .

W rzeczywistości około 1930 roku uzgodniono, że ze względu na falową naturę elektronów pewna część r _av wychodzących elektronów zostanie odbita, gdy dotrą do powierzchni emitera, więc gęstość prądu emisji zostanie zmniejszona, a λ _R miałoby wartość (1- r _śr. ). Tak więc czasami widzi się równanie emisji termojonowej zapisane w postaci:

${\ Displaystyle J = (1-r _ {\ operatorname {av}}) \ lambda _ {B} A_ {0} T ^ {2 }\mathrm {e} ^{-W \ponad kT}}$ .

Jednak współczesne podejście teoretyczne Modinosa zakłada, że ​​​​należy również wziąć pod uwagę strukturę pasmową emitującego materiału. To wprowadziłoby drugi współczynnik korekcji λ _b do λ _R , dając ZA ${\ Displaystyle A _ {\ operatorname {G}} = \ lambda _ {\ operatorname {B}}$ . Eksperymentalne wartości współczynnika „uogólnionego” A _{G 0} są na ogół rzędu wielkości A , ale różnią się znacznie między różnymi materiałami emitującymi i mogą się różnić między różnymi powierzchniami krystalograficznymi tego samego materiału. Przynajmniej jakościowo, te eksperymentalne różnice można wyjaśnić jako wynikające z różnic w wartości λ _R .

_{0 ,} ponieważ: (1) wiele źródeł nie rozróżnia AG i A , ale po prostu bezkrytycznie używa symbolu A (a czasem nazwy „stała Richardsona”); (2) równania zi bez współczynnika korygującego oznaczone tutaj przez λ _R obaj mają to samo imię; oraz (3) istnieje wiele nazw tych równań, w tym „równanie Richardsona”, „równanie Dushmana”, „równanie Richardsona – Dushmana” i „równanie Richardsona – Laue – Dushmana”. W literaturze równanie elementarne jest czasami podawane w okolicznościach, w których bardziej odpowiednie byłoby równanie uogólnione, co samo w sobie może powodować zamieszanie. Aby uniknąć nieporozumień, znaczenie każdego symbolu „podobnego do A” powinno być zawsze wyraźnie zdefiniowane w odniesieniu do bardziej podstawowych wielkości.

Ze względu na funkcję wykładniczą prąd szybko rośnie wraz z temperaturą, gdy kT jest mniejsze niż W . (W zasadzie dla każdego materiału topienie zachodzi na długo przed kT = W .)

Prawo emisji termojonowej zostało ostatnio zmienione dla materiałów 2D w różnych modelach.

Emisja Schottky'ego

Główny artykuł: efekt Schottky'ego

Źródło elektronów z emiterem Schottky'ego w mikroskopie elektronowym

W urządzeniach emitujących elektrony, zwłaszcza w działach elektronowych , termionowy emiter elektronów będzie miał polaryzację ujemną w stosunku do otoczenia. Tworzy to pole elektryczne o wielkości E na powierzchni emitera. Bez pola bariera powierzchniowa widziana przez uciekający elektron na poziomie Fermiego ma wysokość W równą lokalnej pracy wyjścia. Pole elektryczne obniża barierę powierzchniową o wartość Δ W i zwiększa prąd emisji. Jest to znane jako efekt Schottky'ego (nazwany na cześć Waltera H. Schottky'ego ) lub wzmocniona polem emisja termionowa. Można go modelować za pomocą prostej modyfikacji równania Richardsona, zastępując W przez ( W - Δ W ). To daje równanie

${\ Displaystyle J (F, T, W) = A _ {\ operatorname {G}} T ^ {2} e ^ {- (W- \ Delta W) \ ponad kT}}$

${\ Displaystyle \ Delta W = {\ sqrt {{q_ {e}} ^ {3} E \ ponad 4 \pi \epsilon_{0}}},}$

₀ gdzie ε jest stałą elektryczną (dawniej nazywaną również przenikalnością próżni ).

Emisja elektronów, która ma miejsce w reżimie pola i temperatury, w którym stosuje się to zmodyfikowane równanie, jest często nazywana emisją Schottky'ego . To równanie jest stosunkowo dokładne dla natężeń pola elektrycznego mniejszych niż około 10 ⁸ V m ^-1 . Dla natężeń pola elektrycznego większych niż 10 ⁸ V m ⁻¹ , tak zwane tunelowanie Fowlera-Nordheima (FN) zaczyna generować znaczny prąd emisyjny. W tym reżimie połączone efekty emisji termionowej i polowej wzmocnionej polem można modelować za pomocą równania Murphy'ego-Gooda dla emisji pola termicznego (TF). Przy jeszcze wyższych polach tunelowanie FN staje się dominującym mechanizmem emisji elektronów, a emiter pracuje w tzw „emisji elektronów w zimnym polu (CFE)” .

Emisję termionową można również zwiększyć poprzez interakcję z innymi formami wzbudzenia, takimi jak światło. Na przykład wzbudzone pary Cs w konwerterach termojonowych tworzą skupiska materii Cs-Rydberga , które powodują spadek pracy wyjścia kolektora emitującego z 1,5 eV do 1,0–0,7 eV. Ze względu na długożyciową naturę materii Rydberga ta praca wyjściowa pozostaje niska, co istotnie zwiększa sprawność przetwornicy niskotemperaturowej.

Emisja termionowa wzmocniona fotonami

Emisja termionowa wspomagana fotonami (PETE) to proces opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda , który wykorzystuje zarówno światło, jak i ciepło słoneczne do wytwarzania energii elektrycznej i zwiększa wydajność produkcji energii słonecznej ponad dwukrotnie w stosunku do obecnych poziomów. Urządzenie opracowane do tego procesu osiąga szczytową wydajność powyżej 200°C, podczas gdy większość krzemowych ogniw słonecznych staje się obojętna po osiągnięciu 100°C. Takie urządzenia najlepiej sprawdzają się w parabolicznych kolektorach talerzowych, które osiągają temperatury do 800°C. Chociaż zespół użył azotku galu półprzewodnik w swoim urządzeniu sprawdzającym koncepcję, twierdzi, że użycie arsenku galu może zwiększyć wydajność urządzenia do 55–60 procent, prawie trzykrotnie większą niż w przypadku istniejących systemów i o 12–17 procent więcej niż istniejąca 43-procentowa wielozłączowa energia słoneczna komórki.

Zobacz też

• Ładunek kosmiczny

Linki zewnętrzne

• Jak naprawdę działają lampy próżniowe z sekcją dotyczącą emisji termionowej, z równaniami , john-a-harper.com.
• Zjawiska termioniczne i prawa, które nimi rządzą , wykład Nobla Owena Richardsona na temat termioniki. nobelprize.org. 12 grudnia 1929 r. (PDF)
• Wyprowadzenie równań emisji termojonowej z laboratorium licencjackiego , csbsju.edu.