Emisión termoiónica

Cierre del filamento en una lámpara de descarga de gas de mercurio de baja presión que muestra el recubrimiento de mezcla de emisión termonica blanca en la parte central de la bobina. Típicamente hecho de una mezcla de bario, estroncio y óxidos de calcio, el recubrimiento se corta a través del uso normal, con el resultado de la falla de la lámpara.

Una de las bombillas con las que Edison descubrió la emisión termiónica. Se compone de una bombilla de cristal evacuada que contiene un filamento de carbono (forma de jairpin), con una placa de metal adicional adjunta a cables emergentes de la base. Los electrones liberados por el filamento fueron atraídos a la placa cuando tenía un voltaje positivo.

Emisión termoiónica (también conocida como emisión térmica de electrones o efecto Edison) es la liberación de electrones de un electrodo en virtud de su temperatura (liberación de energía suministrada por el calor). Esto ocurre porque la energía térmica entregada al portador de carga supera la función de trabajo del material. Los portadores de carga pueden ser electrones o iones, y en la literatura antigua a veces se los denomina termiones. Después de la emisión, una carga que es igual en magnitud y de signo opuesto a la carga total emitida se deja inicialmente en la región emisora. Pero si el emisor está conectado a una batería, la carga que queda atrás es neutralizada por la carga suministrada por la batería a medida que los portadores de carga emitidos se alejan del emisor, y finalmente el emisor estará en el mismo estado que tenía antes de la emisión.

El ejemplo clásico de emisión termoiónica es el de los electrones de un cátodo caliente al vacío en un tubo de vacío. El cátodo caliente puede ser un filamento metálico, un filamento metálico revestido o una estructura separada de metal o carburos o boruros de metales de transición. La emisión de vacío de los metales tiende a volverse significativa solo para temperaturas superiores a 1000 K (730 °C; 1340 °F).

Este proceso es de vital importancia en el funcionamiento de una variedad de dispositivos electrónicos y se puede utilizar para la generación de electricidad (como convertidores termoiónicos y cables electrodinámicos) o refrigeración. La magnitud del flujo de carga aumenta dramáticamente con el aumento de la temperatura.

El término 'emisión termoiónica' ahora también se usa para referirse a cualquier proceso de emisión de carga excitado térmicamente, incluso cuando la carga se emite de una región de estado sólido a otra.

Historia

El efecto Edison en un tubo de diodo. Un tubo de diodo está conectado en dos configuraciones; uno tiene un flujo de electrones y el otro no. (Las flechas representan corriente de electrones, no corriente convencional.)

Debido a que el electrón no se identificó como una partícula física separada hasta el trabajo de J. J. Thomson en 1897, la palabra "electrón" no se usó cuando se discutieron experimentos que tuvieron lugar antes de esta fecha.

El fenómeno fue informado inicialmente en 1853 por Edmond Becquerel. Fue redescubierto en 1873 por Frederick Guthrie en Gran Bretaña. Mientras trabajaba en objetos cargados, Guthrie descubrió que una esfera de hierro al rojo vivo con una carga negativa perdería su carga (al descargarla de alguna manera en el aire). También descubrió que esto no sucedía si la esfera tenía una carga positiva. Otros colaboradores tempranos incluyeron a Johann Wilhelm Hittorf (1869–1883), Eugen Goldstein (1885) y Julius Elster y Hans Friedrich Geitel (1882–1889).

El efecto fue redescubierto nuevamente por Thomas Edison el 13 de febrero de 1880, mientras intentaba descubrir el motivo de la rotura de los filamentos de las lámparas y el ennegrecimiento desigual (más oscuro cerca del terminal positivo del filamento) de las bombillas de sus lámparas incandescentes..

Edison construyó varias bombillas para lámparas experimentales con un alambre, una placa de metal o una lámina adicional dentro de la bombilla que estaba separada del filamento y, por lo tanto, podía servir como electrodo. Conectó un galvanómetro, un dispositivo que se usa para medir la corriente (el flujo de carga), a la salida del electrodo de metal adicional. Si la hoja se colocaba a un potencial negativo en relación con el filamento, no había corriente medible entre el filamento y la hoja. Cuando la lámina se elevó a un potencial positivo en relación con el filamento, podría haber una corriente significativa entre el filamento a través del vacío y la lámina si el filamento se calentara lo suficiente (por su propia fuente de alimentación externa).

Ahora sabemos que el filamento estaba emitiendo electrones, que fueron atraídos por una lámina cargada positivamente, pero no por una cargada negativamente. Esta corriente unidireccional se denominó efecto Edison (aunque el término se utiliza ocasionalmente para referirse a la propia emisión termoiónica). Descubrió que la corriente emitida por el filamento caliente aumentaba rápidamente con el aumento del voltaje y presentó una solicitud de patente para un dispositivo regulador de voltaje utilizando el efecto el 15 de noviembre de 1883 (patente de EE. UU. 307,031, la primera patente de EE. UU. para un dispositivo electrónico). Descubrió que pasaría suficiente corriente a través del dispositivo para operar una sonda de telégrafo. Esto se exhibió en la Exposición Internacional de Electricidad en Filadelfia en septiembre de 1884. William Preece, un científico británico, se llevó consigo varias de las bombillas de efecto Edison. Presentó un artículo sobre ellos en 1885, donde se refirió a la emisión termoiónica como el "efecto Edison". El físico británico John Ambrose Fleming, trabajando para la "Telegrafía inalámbrica" Company, descubrió que el efecto Edison podía usarse para detectar ondas de radio. Fleming pasó a desarrollar el tubo de vacío de dos elementos conocido como diodo, que patentó el 16 de noviembre de 1904.

El diodo termoiónico también se puede configurar como un dispositivo que convierte una diferencia de calor en energía eléctrica directamente sin piezas móviles (un convertidor termoiónico, un tipo de motor térmico).

Ley de Richardson

Tras la identificación del electrón por parte de J. J. Thomson en 1897, el físico británico Owen Willans Richardson comenzó a trabajar en el tema que más tarde denominó "emisión termoiónica". Recibió el Premio Nobel de Física en 1928 "por su trabajo sobre el fenómeno termoiónico y especialmente por el descubrimiento de la ley que lleva su nombre".

Según la teoría de bandas, hay uno o dos electrones por átomo en un sólido que pueden moverse libremente de un átomo a otro. Esto a veces se denomina colectivamente como un "mar de electrones". Sus velocidades siguen una distribución estadística, en lugar de ser uniforme, y ocasionalmente un electrón tendrá suficiente velocidad para salir del metal sin ser jalado hacia adentro. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón deje una superficie se llama función de trabajo. La función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas se pueden aumentar disminuyendo la función de trabajo. Este objetivo a menudo deseado se puede lograr aplicando varios recubrimientos de óxido al cable.

En 1901, Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente de un cable calentado parecía depender exponencialmente de la temperatura del cable con una forma matemática similar a la ecuación de Arrhenius. Más tarde, propuso que la ley de emisión tuviera la forma matemática

J=AGT2e− − WkT{displaystyle J=A_{mathrm {G}T^{2}mathrm {e} ^{-W over kT}

donde J es la densidad de corriente de emisión, T es la temperatura del metal, W es la función de trabajo del metal, k es la constante de Boltzmann, y A_G es un parámetro que se analiza a continuación.

En el período de 1911 a 1930, a medida que aumentaba la comprensión física del comportamiento de los electrones en los metales, se propusieron varias expresiones teóricas (basadas en diferentes suposiciones físicas) para A_G, por Richardson, Saul Dushman, Ralph H. Fowler, Arnold Sommerfeld y Lothar Wolfgang Nordheim. Más de 60 años después, todavía no hay consenso entre los teóricos interesados en cuanto a la expresión exacta de A_G, pero hay acuerdo en que A_G debe escribirse en la forma:

AG=λ λ RA0{displaystyle A_{mathrm {G}=;lambda _{mathrm {R}A_{0}

donde λ_R es un factor de corrección específico del material que suele ser del orden de 0,5 y A₀ es una constante universal dada por

A0=4π π mk2qeh3=1.20173× × 106Am− − 2K− − 2{displaystyle A_{0}={4pi mk^{2}q_{e}=1.20173times 10^{6},mathrm {A,m^{-2},K^{-2}

Donde m y − − qe{displaystyle - ¿Qué? son la masa y carga de un electrón, respectivamente, y h Es constante de Planck.

De hecho, alrededor de 1930 hubo acuerdo en que, debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones, alguna proporción r_av de los electrones salientes se reflejaría como alcanzaron la superficie del emisor, por lo que la densidad de corriente de emisión se reduciría, y λ_R tendría el valor (1-r _av). Por lo tanto, a veces se ve la ecuación de emisión termoiónica escrita en la forma:

J=()1− − rav)λ λ BA0T2e− − WkT{displaystyle J=(1-r_{mathrm {av})lambda ¿Qué?.

Sin embargo, un tratamiento teórico moderno de Modinos supone que también debe tenerse en cuenta la estructura de banda del material emisor. Esto introduciría un segundo factor de corrección λ_B en λ_R, dar AG=λ λ B()1− − rav)A0{displaystyle A_{mathrm {G}=lambda _{mathrm {B}(1-r_{mathrm {av})A_{0}. Valores experimentales para el coeficiente "generalizado" A_G son generalmente del orden de magnitud A₀, pero difieren significativamente entre diferentes materiales emisores, y pueden diferir entre diferentes caras cristalográficas del mismo material. Al menos cualitativamente, estas diferencias experimentales se pueden explicar como debido a diferencias en el valor de λ_R.

Existe una confusión considerable en la literatura de esta área porque: (1) muchas fuentes no distinguen entre A_G y A₀, pero simplemente use el símbolo A (y, a veces, el nombre "constante de Richardson") indiscriminadamente; (2) las ecuaciones con y sin el factor de corrección indicado aquí por λ_R reciben el mismo nombre; y (3) existe una variedad de nombres para estas ecuaciones, que incluyen "ecuación de Richardson", "ecuación de Dushman", "ecuación de Richardson-Dushman" y "ecuación de Richardson-Laue-Dushman". En la literatura, la ecuación elemental a veces se da en circunstancias en las que la ecuación generalizada sería más apropiada, y esto en sí mismo puede causar confusión. Para evitar malentendidos, el significado de cualquier "A-like" El símbolo siempre debe definirse explícitamente en términos de las cantidades más fundamentales involucradas.

Debido a la función exponencial, la corriente aumenta rápidamente con la temperatura cuando kT es menor que W. (Para prácticamente todos los materiales, la fusión ocurre mucho antes de kT = W).

La ley de emisión termoiónica se revisó recientemente para materiales 2D en varios modelos.

Emisión de Schottky

Schottky-emitter electron source of an electron microscope

En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente en los cañones de electrones, el emisor de electrones termoiónico tendrá una polarización negativa en relación con su entorno. Esto crea un campo eléctrico de magnitud E en la superficie del emisor. Sin el campo, la barrera superficial vista por un electrón de nivel de Fermi que escapa tiene una altura W igual a la función de trabajo local. El campo eléctrico reduce la barrera superficial en una cantidad ΔW y aumenta la corriente de emisión. Esto se conoce como el efecto Schottky (llamado así por Walter H. Schottky) o emisión termoiónica mejorada por campo. Se puede modelar mediante una simple modificación de la ecuación de Richardson, reemplazando W por (W − ΔW). Esto da la ecuación

J()F,T,W)=AGT2e− − ()W− − Δ Δ W)kT{displaystyle J(F,T,W)=A_{mathrm {G}T^{2}e^{-(W-Delta W) over kT}

Δ Δ W=qe3E4π π ε ε 0,{displaystyle Delta W={sqrt E over 4pi epsilon _{0}}}

Donde ε₀ es la constante eléctrica (también, anteriormente, llamada la autorización del vacío).

Emisión de electrones que tiene lugar en el régimen de campo y temperatura donde se aplica esta ecuación modificada a menudo se llama emisión de Schottky. Esta ecuación es relativamente precisa para las resistencias de campo eléctrico inferiores a aproximadamente 10 8 v m −1 . Para fuerzas de campo eléctrico superiores a 10 8 v m −1 , la llamada túneles Fowler-Nordheim (FN) comienza a contribuir con una corriente de emisión significativa. En este régimen, los efectos combinados de la emisión termiónica y de campo mejorada en el campo pueden modelarse mediante la ecuación de Murphy-Good para la emisión de termo-campo (T-F). En campos aún más altos, el túnel FN se convierte en el mecanismo dominante de emisión de electrones, y el emisor opera en la llamada "emisión de electrones de campo frío (CFE) " régimen.

La emisión termiónica también se puede mejorar mediante la interacción con otras formas de excitación, como la luz. Por ejemplo, los vaporos CS excitados en los convertidores termiónicos forman grupos de materia CS-Rydberg que producen una disminución de la función de trabajo emisor de colección de 1.5 eV a 1.0–0.7 eV. Debido a la naturaleza de larga duración de la materia de Rydberg, esta función de bajo trabajo sigue siendo baja, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura.

emisión termiónica mejorada con fotones

La emisión termiónica mejorada por fotones (PETE) es un proceso desarrollado por científicos de la Universidad de Stanford que aprovecha tanto la luz como el calor del sol para generar electricidad y aumenta la eficiencia de la producción de energía solar en más del doble de los niveles actuales. El dispositivo desarrollado para el proceso alcanza la eficiencia máxima superior a 200 ° C, mientras que la mayoría de las células solares de silicio se vuelven inertes después de alcanzar los 100 ° C. Tales dispositivos funcionan mejor en coleccionistas de platos parabólicos, que alcanzan temperaturas de hasta 800 ° C. Aunque el equipo usó un semiconductor de nitruro de galio en su dispositivo de prueba de concepto, afirma que el uso de arsenuro de galio puede aumentar la eficiencia del dispositivo a 55-60 por ciento, casi triple que el de los sistemas existentes y 12-12-12-12-12 17 por ciento más que el 43 por ciento existente de células solares multijunción.