Efect termionic

Imagine de aproape a filamentului unei lămpi cu descărcare . Materialul alb este un element de protecție compus de obicei din oxizi de bariu , stronțiu și calciu a căror deteriorare în timpul utilizării duce la electrocutarea lămpii.

Efectul termionic , numit și efect termoelectronic , constă în emisia indusă termic de particule încărcate ( electroni sau ioni , denumite uneori în literatura științifică antică drept „termioni”), de către un material, uneori un metal încălzit la temperaturi ridicate și de obicei un aliaj, cum ar fi tungstenul toriat, utilizat în supapele încălzite direct sau un amestec de oxizi în supapele încălzite indirect, de exemplu după trecerea unui curent electric . Emisia de electroni are loc ca o consecință a creșterii energiei lor cinetice , revelată ca o creștere a temperaturii, care le permite să depășească forța care îi ține legați de atomii materialului. Particula emisă va tinde să rămână aproape de suprafața emitentă, o suprafață care va fi încărcată cu o sarcină opusă în semn, dar egală în modul cu totalul sarcinilor emise. Cu toate acestea, emițătorul va reveni la aceeași stare înainte de emisie dacă este conectat la o baterie, al cărei flux curent va neutraliza această încărcare.

Un exemplu clasic de emisie termionică este cel care are loc în tuburile de vid , unde electronii sunt emiși de la un catod metalic la temperatură ridicată într-un tub în care a fost creat vidul (cunoscut în momentul descoperirii și primelor aplicații sub numele de Efect Edison). Astăzi, termenul „efect termionic” se referă la orice proces de emisie de sarcină excitată termic, chiar și atunci când sarcina este emisă de la o regiune la alta, atât în stare solidă . Acest proces este extrem de important într-o varietate de dispozitive electronice și poate fi utilizat pentru generarea de energie și răcire. Intensitatea curentului de încărcare crește considerabil odată cu creșterea temperaturii, cu toate acestea, emisiile de la o suprafață metalică într-un mediu vid devin semnificative numai pentru temperaturi peste 1 000 K. Știința care a studiat fenomenul a fost denumită termionică , dar acest nume a căzut treptat în desuetudine.

Legea emisiilor termionice a fost formulată în principal de Owen Richardson , de la care își ia numele.

fundal

Efectul Edison într-o diodă. Dioda este prezentată în două configurații, prima permite conducerea curentă, în timp ce a doua nu.
Rețineți că săgețile indică direcția fluxului de electroni și nu direcția convențională a curentului electric , opusă acestuia.

Citind această secțiune, este util să rețineți că electronul a fost identificat în 1897 de Thomson . Prin urmare, este necesară precauție în utilizarea termenului de electron în discutarea experimentelor care au avut loc înainte de acea dată.

Primele observații ale fenomenului datează din 1873 în Marea Britanie, când Guthrie , care efectua cercetări asupra obiectelor încărcate, a descoperit că o sferă de fier roșu își pierde sarcina în aer dacă este pozitivă, dar nu negativă. ^[1] ^[2] Din aceste informații, Guthrie a dedus că procesul a implicat pierderea ionilor pozitivi, dar nu a putut stabili dacă aceștia au fost generați de interacțiunea suprafeței metalice la temperatură înaltă cu aerul sau dacă au derivat numai din temperatură. ^[2] Hittorf (1869-1883) și Goldstein (1885) au studiat, de asemenea, fenomenul, dar au fost Elster și Geitel (1882-1889) care au efectuat experimentele care le-au permis să răspundă la câteva întrebări ridicate de descoperirea lui Guthrie. De fapt, ei au repetat experimentul sferelor roșii într-un mediu în care fusese creat un vid și în atmosfere de diferite gaze. ^[2] Elster și Geitel au descoperit că emisia de ioni pozitivi are loc la diferite temperaturi în vid și în fiecare dintre atmosferele testate, clarificând astfel că este o proprietate a metalului la temperatura atribuită. De asemenea, au observat că această emisie nu este constantă, dar tinde să scadă rapid și, mai presus de toate, au identificat că la temperatură ridicată există emisia de ioni negativi, care, spre deosebire de ceilalți, mențin un nivel constant, până când metalul este descărcat. ^[2]

Între timp, efectul a fost redescoperit de Edison ^[1] la 13 februarie 1880 , în timp ce încerca să înțeleagă motivul ruperii filamentelor și înnegrirea neregulată a becurilor (mai întunecate lângă un capăt al filamentului) lămpilor sale . incandescență . Edison a construit mai multe becuri experimentale, unele cu mai multe fire, plăci sau folii metalice introduse în bec. Acest electrod metalic suplimentar a fost conectat la filament printr-un galvanometru din exteriorul becului.

În timpul experimentelor, dacă pe folie s-a impus o încărcare negativă mai mare (în modul) decât cea a filamentului, atunci nu a existat nici un pas de curent între ele (astăzi știm că acest lucru se datorează faptului că folia metalică emite puțini electroni ); în caz contrar, când s-a impus pe folie o încărcare pozitivă mai mare decât cea a filamentului, a existat un flux curent de sarcini negative care se deplasau din filament în folie prin vid. Acest curent unidirecțional a primit numele efectului Edison (deși termenul este uneori folosit pentru a se referi la efectul termionic în sine). Edison a observat că curentul emis de filamentul fierbinte a crescut rapid odată cu creșterea tensiunii și a solicitat un brevet pentru un dispozitiv capabil să regleze tensiunea la 15 noiembrie 1883 (brevetul SUA 307.031, ^[3] primul brevet american pentru un dispozitiv electronic. ). În septembrie 1884 Edison a expus un buzzer telegrafic la Expoziția Internațională Electrică din Philadelphia a cărei operațiune a fost efectuată prin intermediul dispozitivului pe care l-a brevetat.

Preece a fost cel care, întorcându-se în Anglia de la Expoziția din Philadelphia, purtând cu el mai multe becuri Edison, a trimis un articol în 1885 referitor la emisiile termionice ca efect Edison. ^[4] Fleming, care a lucrat pentru compania britanică „Wireless Telegraphy”, a descoperit că efectul Edison ar putea fi folosit pentru a detecta unde radio și a dezvoltat tuburi de vid cu două elemente cunoscute sub numele de diode. , Pe care le-a prezentat comunității științifice pe 16 noiembrie, 1904 .

Dioda termionică poate fi configurată pentru a converti o diferență de temperatură în putere electrică, fără părți mobile (un convertor termionic , un tip de motor termic ).

În urma descoperirii electronului de către Thomson, fizicianul englez Richardson a început să lucreze la subiectul pe care l-a numit „emisie termionică” și în 1928 a primit Premiul Nobel pentru fizică „pentru munca sa asupra fenomenului termionic și mai ales pentru descoperirea legii care poartă numele lui ".

Millikan și Langmuir au efectuat, de asemenea, studii asupra efectului termionic. ^[1]

Legea lui Richardson

În orice metal în stare solidă, există unul sau doi electroni pe atom care sunt liberi să se deplaseze de la un atom la altul. Această proprietate a metalelor este uneori denumită „ marea de electroni ”. Viteza lor este descrisă printr-o distribuție statistică care, comparativ cu o valoare medie care poate fi corelată cu temperatura, prevede variații mari. Prin urmare, ocazional, un electron poate avea o viteză suficient de rapidă pentru a scăpa din metal fără a fi tras înapoi. Cantitatea minimă de energie care permite unui electron să părăsească suprafața se numește muncă minieră . Lucrarea de extracție (sau funcția de lucru , în limba engleză) este o caracteristică a materialului și pentru majoritatea metalelor este de ordinul mai multor electroni volți . Curenții termionici (fluxul de sarcini produs de efectul termionic) pot fi crescuți în intensitatea lor, reducând munca de extracție, de exemplu prin aplicarea acoperirilor diferiților oxizi pe firul metalic.

În 1901 Richardson a publicat rezultatele experimentelor sale: curentul electric emis de un fir metalic încălzit depinde exponențial de temperatura firului într-o formă matematică similară cu ecuația Arrhenius . Ulterior a propus următoarea formulă matematică ca lege de guvernare a emisiilor: ^[5]

J=A_{\mathrm {G} }T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}

{\ displaystyle J = A _ {\ mathrm {G}} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}

{\ displaystyle J = A _ {\ mathrm {G}} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}

unde J este densitatea de curent emisă (măsurată în A / m²), T este temperatura termodinamică a metalului (măsurată în K ), W este lucrarea de extracție a metalului, k este constanta Boltzmann și A _G este un parametru care va fi discutat mai târziu.

În perioada cuprinsă între anul 1911 acompaniat de anul 1930 , ca și înțelegerea comportării electronilor în metale a crescut, diverse expresii teoretice (bazate pe diferite ipoteze fizice) au fost propuse pentru A _G de Richardson, Dushman , Fowler , Sommerfeld și Nordheim . Peste șaizeci de ani mai târziu, nu există încă un consens în rândul fizicienilor teoretici cu privire la forma exactă pe care ar trebui să o aibă expresia pentru A _G , deși este universal acceptat faptul că este produsul a două contribuții:

A_{\mathrm {G} }=\;\lambda _{\mathrm {R} }A_{0}

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {R}} A_ {0}}

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {R}} A_ {0}}

unde λ _R este un factor de corecție specific pentru materialul de obicei de ordinul 0,5 și A ₀ este o constantă universală dată de

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

{\ displaystyle A_ {0} = {4 \ pi mk ^ {2} și \ over h ^ {3}} = 1,20173 \ times 10 ^ {6} \, \ mathrm {A \, m ^ {- 2 } \, K ^ {- 2}}}

{\ displaystyle A_ {0} = {4 \ pi mk ^ {2} și \ over h ^ {3}} = 1,20173 \ times 10 ^ {6} \, \ mathrm {A \, m ^ {- 2 } \, K ^ {- 2}}}

unde m și - e sunt masa și sarcina electronului și h este constanta lui Planck .

Aproximativ în 1930, consensul s-a maturizat cu privire la faptul că, datorită naturii de undă a electronului, o parte din electronii care urmează să fie emiși se reflectă atunci când ajung la suprafața emitentă; densitatea de curent emisă este deci redusă. λ _R ar putea fi deci descris ca: 1- r _av , notând prin r _av proporția curentului reflectat, iar ecuația termionică ar putea fi scrisă sub forma

J=(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}

{\ displaystyle J = (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}

{\ displaystyle J = (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0} T ^ {2} \ mathrm {e} ^ {- W \ over kT}}

uneori folosit în literatură.
Cu toate acestea, un tratament teoretic al fenomenului propus în anii 1980 de Anthony Modinos presupune că trebuie luată în considerare și structura benzii materialului de transmisie. Aceasta implică introducerea unui al doilea factor corectiv, λ _B , în λ _R , obținând expresia:

A_{\mathrm {G} }=\;\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {B}} (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0}}

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda _ {\ mathrm {B}} (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0}}

Valorile experimentale pentru coeficientul "generalizat" A _G sunt, în general, de același ordin de mărime ca A ₀ , dar variază semnificativ între două materiale diferite și pot face acest lucru și pentru fețele cristalografice diferite ale aceluiași material. Cel puțin calitativ, aceste diferențe pot fi interpretate ca o variație a valorii lui λ _R.

Există o confuzie considerabilă în literatura de specialitate cu privire la acest subiect, deoarece:

în multe lucrări nu există nicio distincție între A _G și A ₀ , dar numai simbolul A (uneori denumit „constanta Richardson”) este folosit fără discriminare;
ecuațiile cu sau fără factorul de corecție indicat aici ca λ _R sunt indicate cu același nume; Și
există o mare varietate în numele utilizate pentru a identifica aceste ecuații: „ecuația Richardson”, „ecuația Dushman”, „ecuația Richardson-Dushman” și „ecuația Richardson-Laue-Dushman”.

Folosind o nomenclatură consecventă și non-contradictorie în acest paragraf, ecuația emisiilor termionice cu doar A ₀ ar putea fi denumită „ecuația elementară a lui Richardson”, în timp ce cea care conține coeficientul „generalizat” A _G ar putea fi denumită „ecuația” generalizat de Richardson ". În literatură, ecuația elementară este dată uneori în circumstanțe în care cea generalizată ar fi mai potrivită și acest lucru poate duce la confuzii suplimentare. Pentru a evita neînțelegerea, trebuie specificat întotdeauna la care dintre coeficienții "A" se face referire, indicând expresiile lor explicite în ceea ce privește cantitățile fundamentale implicate.

Datorită tendinței exponențiale , creșterea intensității curentului este foarte rapidă cu temperatura când kT este mai mică de W. (Pentru practic toate materialele, topirea are loc cu mult înainte de kT = W. )

Ecuațiile emisiilor termionice sunt de o importanță fundamentală în electronică. Acestea sunt utilizate pentru a descrie comportamentul atât a tehnologiei învechite (cum ar fi afișajele cu tuburi catodice ), cât și a aplicațiilor radio și cu microunde și a tehnologiilor mai recente (de exemplu, pentru a descrie transferul de electroni în unele tipuri de dispozitive semiconductoare ).

Emisia Schottky

În dispozitivele de emisie de electroni, în special în pistolul de electroni , prin aplicarea unui câmp electric extern al modulului E este posibil să se reducă potențialul necesar pentru emisia de electroni și astfel să se mărească numărul. Fără aplicarea câmpului electric extern, așa cum am văzut, bariera întâlnită de un electron de nivelul Fermi are înălțimea W , egală cu valoarea locală a lucrării de extracție. Aplicarea câmpului electric reduce bariera cu o cantitate Δ W și în consecință crește intensitatea curentului emis. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de „efect Schottky” sau emisie îmbunătățită (termionică ^[6] ) de câmp. Poate fi descris făcând o schimbare simplă în ecuația lui Richardson, înlocuind W cu ( W -Δ W ). Ecuația devine: ^[7]

J(E,T,W)=A_{\mathrm {G} }T^{2}e^{-(W-\Delta W) \over kT}

{\ displaystyle J (E, T, W) = A _ {\ mathrm {G}} T ^ {2} e ^ {- (W- \ Delta W) \ peste kT}}

{\ displaystyle J (E, T, W) = A _ {\ mathrm {G}} T ^ {2} e ^ {- (W- \ Delta W) \ peste kT}}

unde este

\Delta W={\sqrt {e^{3}E \over 4\pi \epsilon _{0}}},

{\ displaystyle \ Delta W = {\ sqrt {e ^ {3} E \ over 4 \ pi \ epsilon _ {0}}},}

{\ displaystyle \ Delta W = {\ sqrt {e ^ {3} E \ over 4 \ pi \ epsilon _ {0}}},}

și ε ₀ este permitivitatea electrică a vidului . ^[7]

Această ecuație este relativ precisă pentru câmpurile electrice mai mici de aproximativ 10 ⁸ V m ⁻¹ . Pentru câmpurile de intensitate mai mari decât această valoare, așa-numitul curent de tunel Fowler-Nordheim (FN) începe să contribuie semnificativ la emisia curentului. În timpul acestui regim, efectele combinate ale emisiilor termionice și ale efectului de câmp îmbunătățite pot fi descrise prin ecuația Murphy-Good. ^[8] Pentru intensități de câmp și mai mari, curentul tunelului FN devine mecanismul dominant în emisia de electroni, iar emițătorul funcționează în așa-numitul regim de emisie de electroni în câmp rece (CFE).

Emisia termionică poate fi, de asemenea, îmbunătățită prin interacțiunea cu alte forme care determină excitația electronică, cum ar fi, de exemplu, lumina. ^[9] De exemplu, vaporii de cesiu excitați (Cs) din convertoarele termionice formează grupuri de materii foarte excitate (sau materie Rydberg ) de atomi de cesiu ducând la reducerea muncii de extracție de la 1,5 eV la 1,0-0,7 eV. Datorită stabilității materiei Rydberg, lucrările de extracție mențin aceste valori scăzute, rezultând o creștere a eficienței dispozitivului la temperaturi scăzute. ^[10]

Notă

^ ^a ^b ^c ( EN ) Zhuomin M. Zhang, Electron and Phonon Transport , in Nano / microscale heat transfer , McGraw-Hill Professional, 2007, pp. 227-229, ISBN 978-0-07-143674-8 . Adus la 11 iulie 2009 .
^ ^a ^b ^c ^d Owen Richardson, 1921 , p. 196 și următoarele. : (EN) Emisia de ioni pozitivi de către metalele fierbinți , a books.google.it. Adus la 11 iulie 2009 .
^ (EN) Brevetul SUA 307031 , al patft.uspto.gov Biroul SUA pentru Brevete și Mărci, Brevete de date cu text integral și imagini. Adus la 10 iulie 2009 .
^ (EN) Matthew Josephson, Edison , New York, McGraw Hill, 1959, ISBN 0-07-033046-8 .
^ Owen Richardson, 1921 , p. 29 și următoarele : (EN) Teoria emisiilor de electroni din corpurile fierbinți pe books.google.it. Adus la 11 iulie 2009 .
^ Adjectivul termionic este adesea omis.
^ ^a ^b ( EN ) Jon Orloff, emisia Schottky , în Handbook of Charged Particle Optics , ediția a II-a, CRC Press, 2008 [1997] , p. 666, ISBN 978-1-4200-4554-3 . Adus la 7 septembrie 2009 . Vezi paginile 5-6.
^ EL Murphy, Good, RH, Emisia termionică, Emisia de câmp și regiunea de tranziție , în Phys. Rev. , vol. 102, nr. 6, 1956, pp. 1464-1473, DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1464 .
^ AG Mal'shukov1, Chao, KA, Refrigerare opto-termionică în heterostructuri semiconductoare , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 86, 2001, pp. 5570-5573, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.5570 .
^ R. Svensson, Holmlid, L., Suprafețe cu funcții de lucru foarte scăzute din stări excitate condensate: materie Rydber de cesiu. , în Surface Science , vol. 269/270, 1992, pp. 695-699, DOI : 10.1016 / 0039-6028 (92) 91335-9 .

Bibliografie

( EN ) Owen W. Richardson , Emisia de electricitate din corpurile fierbinți , Londra, Longmans, Green și co., 1921. Accesat la 10 iulie 2009 .
(EN) Hendrik Johannes Van der Bijl, The thermionic vacuum tube and its applications , New York, McGraw-Hill book company, inc., 1920. Accesat la 10 iulie 2009.

Elemente conexe

linkuri externe

( RO ) John Harper, Cum funcționează cu adevărat tuburile de vid , pe john-a-harper.com . Adus la 10 iulie 2009 .
( EN ) Owen Richardson, Fenomenele termionice și legile care le guvernează ( PDF ), în Conferința Nobel , 12 decembrie 1929. Accesat la 10 iulie 2009 .
( EN ) Emisiune termionică ( PDF ), pe Instrumente pentru știință , Colegiul Saint Benedict și Universitatea Saint John's, Minnesota. Adus la 10 iulie 2009 .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[Zhang-1] ( EN ) Zhuomin M. Zhang, Electron and Phonon Transport , in Nano / microscale heat transfer , McGraw-Hill Professional, 2007, pp. 227-229, ISBN 978-0-07-143674-8 . Adus la 11 iulie 2009 .

[Richardson196-2] Owen Richardson, 1921 , p. 196 și următoarele. : (EN) Emisia de ioni pozitivi de către metalele fierbinți , a books.google.it. Adus la 11 iulie 2009 .

[3] (EN) Brevetul SUA 307031 , al patft.uspto.gov Biroul SUA pentru Brevete și Mărci, Brevete de date cu text integral și imagini. Adus la 10 iulie 2009 .

[Josephson-4] (EN) Matthew Josephson, Edison , New York, McGraw Hill, 1959, ISBN 0-07-033046-8 .

[5] Owen Richardson, 1921 , p. 29 și următoarele : (EN) Teoria emisiilor de electroni din corpurile fierbinți pe books.google.it. Adus la 11 iulie 2009 .

[6] Adjectivul termionic este adesea omis.

[Orloff-7] ( EN ) Jon Orloff, emisia Schottky , în Handbook of Charged Particle Optics , ediția a II-a, CRC Press, 2008 [1997] , p. 666, ISBN 978-1-4200-4554-3 . Adus la 7 septembrie 2009 . Vezi paginile 5-6.

[8] EL Murphy, Good, RH, Emisia termionică, Emisia de câmp și regiunea de tranziție , în Phys. Rev. , vol. 102, nr. 6, 1956, pp. 1464-1473, DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1464 .

[9] AG Mal'shukov1, Chao, KA, Refrigerare opto-termionică în heterostructuri semiconductoare , în Phys. Rev. Lett. , Vol. 86, 2001, pp. 5570-5573, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.5570 .

[10] R. Svensson, Holmlid, L., Suprafețe cu funcții de lucru foarte scăzute din stări excitate condensate: materie Rydber de cesiu. , în Surface Science , vol. 269/270, 1992, pp. 695-699, DOI : 10.1016 / 0039-6028 (92) 91335-9 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]