Emisión termoiónica

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La emisión termoiónica ( efecto Richardson , efecto Edison ) es la radiación de electrones de un sólido, metal y semiconductores al espacio libre (generalmente al vacío o a un gas enrarecido) cuando se calienta a una temperatura alta. Se observa emisión a partir de 900 K.

Historial de descubrimientos

Este fenómeno fue informado por primera vez por Edmond Becquerel en 1853 [1] [2] .

El fenómeno fue redescubierto en 1873 por Frederick Guthrie en Gran Bretaña [3] : mientras trabajaba con cuerpos cargados, Guthrie descubrió que una bola de hierro al rojo vivo pierde su carga si tiene carga negativa, pero una bola cargada positivamente no. perder carga [4] .

La emisión termoiónica también fue estudiada por Johann Gittorf (1869-1883) [5] , Eugen Goldstein (1885) [6] , Julius Elster y Hans Geitel (1882-1889) [7] .

El efecto fue redescubierto por Thomas Edison el 13 de febrero de 1880. En sus experimentos, Edison trató de averiguar por qué en la lámpara incandescente que creó, los filamentos se quemaron antes de tiempo y por qué se formó una capa oscura en el interior de la bombilla cerca del electrodo positivo del filamento. Edison hizo experimentos con varias lámparas incandescentes de vacío experimentales con una placa de metal adicional o un trozo de papel de aluminio dentro de la bombilla, que a su vez está aislada eléctricamente del filamento y tiene una salida eléctrica adicional a través del vidrio de la bombilla. En estos experimentos, Edison descubrió que si esta placa tenía un potencial positivo en relación con el filamento, entonces fluía una corriente notable a través del vacío, y si el potencial de la placa era negativo en relación con el filamento, entonces no había corriente y el la corriente se observó solo si el filamento estaba lo suficientemente caliente.

En el futuro, este fenómeno fue explicado por la emisión de electrones, que son partículas cargadas negativamente, cuerpos calentados. Sin embargo, en el momento descrito, el electrón aún no había sido descubierto: fue descubierto por Joseph Thomson recién en 1897.

Edison también descubrió que la corriente del filamento calentado aumentaba rápidamente con el aumento del voltaje del filamento y solicitó una patente el 15 de noviembre de 1883 para un dispositivo para regular el voltaje usando un efecto (Patente de EE. UU. 307,031). Esta patente estadounidense para un dispositivo electrónico se considera la primera [8] .

Edison presentó varias copias de lámparas incandescentes con una demostración del efecto en la Exposición Internacional de Electricidad en Filadelfia en septiembre de 1884. El científico británico William Preece , que visitó la exposición, se llevó varias de estas lámparas para estudiar el fenómeno. Después de estudiarlos, preparó un informe en 1885 en el que llamó a la emisión termoiónica el "efecto Edison" [9] [10] .

Luego, el físico británico John Ambrose Fleming , que trabajaba para la compañía británica Wireless Telegraphy , descubrió que el efecto Edison podía usarse para detectar ondas de radio . Fleming pasó a desarrollar el tubo de vacío de dos electrodos, ahora conocido como diodo de vacío, para el cual recibió una patente el 16 de noviembre de 1904 [11] .

Física del fenómeno

Para que un electrón salga de un metal al espacio exterior, se le debe dar algo de energía, llamada función de trabajo del electrón, para superar la barrera de potencial .

La concentración de electrones libres en los metales es bastante alta, por lo tanto, incluso a temperaturas medias, debido a la distribución de electrones en términos de velocidades (en términos de energía), algunos de ellos tienen energía suficiente para superar la barrera de potencial en la frontera del metal . . A temperatura ambiente, la fracción de tales electrones es muy pequeña y no se observa corriente de emisión termoiónica. A medida que aumenta la temperatura, la energía cinética del movimiento térmico aumenta rápidamente y la emisión termoiónica se vuelve perceptible.

El estudio de las leyes de la emisión termoiónica se puede observar utilizando la lámpara de dos electrodos más simple: un diodo  de vacío , que es un cilindro del que se bombea gas, con dos electrodos colocados en su interior: un cátodo y un ánodo . En el caso más simple, un alambre hecho de un metal refractario (por ejemplo, tungsteno ), calentado por una corriente eléctrica, puede servir como cátodo. El ánodo se fabrica con mayor frecuencia en forma de un cilindro de metal hueco que rodea el cátodo. Si se aplica un voltaje entre el ánodo y el cátodo, entonces con un cátodo caliente y cuando se aplica al ánodo un voltaje positivo en relación con el cátodo, la corriente comienza a fluir a través del espacio entre el ánodo y el cátodo. Si se aplica al ánodo un voltaje negativo relativo al cátodo, la corriente se detiene, sin importar cuánto se caliente el cátodo. De esta experiencia se deduce que el cátodo calentado emite partículas negativas: electrones.

Si la temperatura del cátodo calentado se mantiene constante y se representa gráficamente la dependencia de la corriente del ánodo con el voltaje del ánodo, la característica de corriente-voltaje de un diodo de vacío, resulta que no es lineal, es decir , la ley de Ohm no se cumple para un diodo de vacío.

La dependencia de la corriente termoiónica del voltaje del ánodo en la región de pequeños valores positivos está descrita por la ley de la potencia de tres segundos (establecida por el físico ruso S. A. Boguslavsky y el físico estadounidense I. Langmuir ):

, donde  es el coeficiente ( perveance ), dependiendo de la forma y tamaño de los electrodos, así como de su posición relativa.

Con un aumento en el voltaje del ánodo, la intensidad de la corriente aumenta hasta cierto valor máximo, en el cual la corriente se denomina corriente de saturación y luego no aumenta con un aumento posterior en el voltaje en el ánodo. En este caso, casi todos los electrones que salen del cátodo son absorbidos por el ánodo, por lo que un mayor aumento de la intensidad del campo entre el ánodo y el cátodo no puede provocar un aumento de la corriente. Por lo tanto, la densidad de corriente de saturación caracteriza la emisividad del material del cátodo.

También se puede utilizar un diodo termoiónico para convertir las diferencias de temperatura en electricidad directamente, sin piezas móviles, como el convertidor termoiónico , un tipo de motor térmico.

Fórmula de Richardson para la densidad de corriente de saturación

La fórmula, que Richards derivó originalmente sobre la base de la teoría electrónica clásica de los metales y que el científico estadounidense S. Dashman luego refinó utilizando la teoría cuántica , se llama ecuación de Richardson-Deshman.

La densidad de corriente de saturación está determinada por la fórmula de Richardson-Deshman, derivada teóricamente sobre la base de estadísticas cuánticas [12] :

, dónde:
  •  es el coeficiente de repulsión de electrones de la barrera de potencial, o más bien, el valor promediado sobre el espectro de electrones termoiónicos;
  •  es la constante termoeléctrica igual a a en el modelo de electrones libres de A. Sommerfeld —
  •  es la función de trabajo (potencial) de los electrones del cátodo;
  •  - constante de Boltzmann ;
  • u  son la carga y la masa del electrón;
  •  - constante de Planck ;
  •  es la temperatura absoluta .

Para aplicaciones prácticas, esta fórmula también se escribe como [13] :

, donde  son parámetros que son constantes para un material de cátodo dado y se determinan a partir de la experiencia.

Una disminución en la función de trabajo conduce a un rápido aumento en la densidad de corriente de saturación. Típicamente se utilizan cátodos que soportan altas temperaturas y tienen alta emisividad: por regla general, tungsteno, tungsteno toriado y hexaboruro de lantano ( ). También se utilizan cátodos de óxido (por ejemplo, tungsteno recubierto con una fina capa de óxidos de metales alcalinotérreos ) con una temperatura de funcionamiento más baja en comparación con los enumerados anteriormente.

El efecto Schottky en la emisión termoiónica

Cuando se aplica un campo electrostático externo , cuyas líneas de fuerza se dirigen hacia el emisor (cátodo), es decir, este electrodo tiene un potencial negativo con respecto al ánodo, se observa una disminución en la función de trabajo de los electrones del cátodo. . Este fenómeno se llama efecto Schottky, llamado así por Walter Schottky , quien lo investigó. En la figura se da una explicación aproximada del efecto. Un campo eléctrico externo reduce la función de trabajo en . Los electrones en un metal tienen una energía igual a la energía del nivel de Fermi , y los electrones a una distancia infinita de la superficie tienen una energía . La diferencia entre estas energías es la función de trabajo . La suma de las fuerzas de atracción al cátodo y del campo externo tiene un máximo local a cierta distancia del cátodo, y este máximo tiene una energía inferior a la energía de salida, lo que aumenta la emisión termoiónica. La emisión de electrones que se produce como resultado de la acción combinada del efecto Schottky y la emisión termoiónica a menudo se denomina "emisión Schottky". La fórmula para la densidad de corriente de emisión termoiónica, teniendo en cuenta el efecto Schottky, se puede obtener mediante una simple modificación de la fórmula de Richardson, sustituyendo energía en ella [14] [15] :

El valor de la función de reducción del trabajo debido al efecto Schottky viene dado por la fórmula:

dónde:

Esta fórmula concuerda bien con las mediciones prácticas a intensidades de campo eléctrico de hasta aproximadamente 10 8 V/m . Para una intensidad de campo eléctrico superior a 10 8 V/m , la tunelización de electrones a través de la barrera de potencial, la denominada tunelización de Fowler-Nordheim , se vuelve significativa , y la corriente de tunelización comienza a hacer una contribución significativa a la corriente de emisión total. En este modo, los efectos de la emisión termoiónica y de efecto túnel, que se ven potenciados por el campo, pueden describirse mediante la ecuación de Murphy-Goode [16] . En campos aún más intensos, el efecto túnel de Fowler-Nordheim se convierte en el mecanismo de emisión de electrones dominante, y el cátodo funciona en el denominado modo de "emisión de electrones en frío" o "emisión de campo".

La emisión termoiónica también se puede mejorar mediante otras formas de excitación de la superficie del cátodo, por ejemplo, mediante la irradiación con luz [17] . Por lo tanto, los átomos de cesio excitados en los vapores de los convertidores termoiónicos forman centros activos Cs - Rydberg , lo que conduce a una disminución en la función de trabajo de 1,5 eV a 1,0-0,7 eV . Estos centros tienen una larga vida útil y la función de trabajo permanece baja, lo que aumenta significativamente la eficiencia del convertidor termoiónico [18] .

Aplicación del fenómeno

El funcionamiento de todos los dispositivos electrónicos de vacío y dispositivos de rayos catódicos , tecnología de haz de electrones, microscopios electrónicos y convertidores de energía termoiónica se basa en el fenómeno de la emisión termoiónica .

Notas

  1. ↑ Paxton, William PROPIEDADES DE EMISIÓN ELECTRÓNICA TERMIÓNICA DE PELÍCULAS DE DIAMANTE POLICRISTALINO CON NITRÓGENO INCORPORADO . Consultado el 22 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 23 de noviembre de 2016.
  2. ↑ Convertidor de potencia termoiónico . Enciclopedia Britannica . Consultado el 22 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 23 de noviembre de 2016.
  3. ↑ Ver por ejemplo:
  4. ↑ Richardson OW Emisión termoiónica de cuerpos calientes . - Wexford College Press, 2003. - Pág. 196. - ISBN 978-1-929148-10-3 .  
  5. ↑ Ver por ejemplo:
  6. ↑ E. Goldstein (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" Archivado el 13 de enero de 2018. (Sobre la conducción eléctrica en el vacío) Annalen der Physik und Chemie , 3ra serie, 24  : 79-92.
  7. ↑ Ver por ejemplo:
  8. ↑ Edison, Thomas A. , "Indicador eléctrico", US 307031 , publicado el 15 de noviembre de 1883, emitido el 21 de octubre de 1884
  9. ↑ Preece, William Henry. Sobre un comportamiento peculiar de las lámparas incandescentes cuando se elevan a alta incandescencia  // Actas de la Royal Society of London  : revista  . - 1885. - vol. 38 , núm. 235-238 . - pág. 219-230 . -doi : 10.1098/ rspl.1884.0093 . Archivado desde el original el 26 de junio de 2014. Preece acuña el término "efecto Edison" en la página 229.
  10. ↑ Josephson M. Edison . - Educación McGraw-Hill , 1959. - ISBN 978-0-07-033046-7 .  
  11. ↑ Ver por ejemplo:
    • La especificación provisional para una válvula termoiónica se presentó el 16 de noviembre de 1904. En este documento, Fleming acuñó el término británico "válvula" para lo que en América del Norte se denomina "tubo de vacío": "El medio que empleo para este propósito consiste en la inserción en el circuito de la corriente alterna de un aparato que sólo permite el paso de la corriente eléctrica en un sentido y constituye por tanto una válvula eléctrica".
    • Fleming, John Ambrose, "Mejoras en instrumentos para detectar y medir corrientes eléctricas alternas", GB 190424850 , publicado el 15 de agosto de 1905, publicado el 21 de septiembre de 1905
    • Fleming, John Ambrose, "Instrumento para convertir corrientes eléctricas alternas en corrientes continuas", US 803684 , publicado el 29 de abril de 1905, emitido el 7 de noviembre de 1905
  12. ↑ Fridrikhov S. A., Movnin S. M. Capítulo 10. Fundamentos físicos de la electrónica de emisión // Fundamentos físicos de la tecnología electrónica. - M. : Escuela Superior, 1982. - S. 434-435. — 608 pág.
  13. ↑ Zinoviev V. A. Breve referencia técnica. Tomo 1. - M.-L. Techteorizdat, 1949. - p. 183
  14. ↑ Kiziroglou ME; Li X.; Zhukov A.A.; De Groot PAJ; De Groot CH Emisión de campo termoiónico en barreras Schottky de Ni-Si electrodepositadas  (inglés)  // Electrónica de estado sólido: revista. - 2008. - Vol. 52 , núm. 7 . - P. 1032-1038 . -doi : 10.1016/ j.sse.2008.03.002 . - . Archivado desde el original el 9 de agosto de 2020.
  15. ↑ Orloff, emisión de J. Schottky // Manual de óptica de partículas cargadas (neopr.) . — 2do. - Prensa CRC , 2008. - S. 5-6. — ISBN 978-1-4200-4554-3 .  
  16. ↑ Murphy, EL; Buena emisión termoiónica de GH , emisión de campo y región de transición  (inglés)  // Revisión física  : revista. - 1956. - vol. 102 , núm. 6 _ - Pág. 1464-1473 . -doi : 10.1103 / PhysRev.102.1464 . - .
  17. ↑ Mal'Shukov AG; Chao KA Refrigeración opto-termiónica en heteroestructuras de semiconductores  (inglés)  // Cartas de revisión física  : revista. - 2001. - vol. 86 , núm. 24 . - Pág. 5570-5573 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.86.5570 . - . —PMID 11415303 .
  18. ↑ SvenssonR.; Holmlid L. Superficies de función de trabajo muy bajas a partir de estados excitados condensados: materia Rydber de cesio  //  Surface Science: revista. - 1992. - vol. 269/270 . - P. 695-699 . -doi : 10.1016 / 0039-6028(92)91335-9 . - .

Literatura

  • Hering K., Nichols M. Emisión termoiónica. - M. : Editorial de literatura extranjera, 1950. - 196 p.

Enlaces

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