Emisión termoiónica

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Primer de la filamento en un mercurio de baja presión de la lámpara de descarga de gas que muestra blanco termoiónica revestimiento mezcla de emisión en la porción central de la bobina. Típicamente hecha de una mezcla de bario , estroncio y calcio óxidos, el revestimiento se escupió de distancia a través de un uso normal, a menudo resultando eventualmente en fallo de la lámpara.

Emisión termoiónica es el flujo inducido por el calor de los portadores de carga desde una superficie o sobre una barrera de energía potencial. Esto ocurre porque la energía térmica al transportista supera el potencial de unión, también conocida como función de trabajo del metal. Los portadores de carga pueden ser electrones o iones , y en la literatura médica se refiere a veces como "thermions". Después de la emisión, una acusación que inicialmente se quedará atrás en la región emisora ​​que es igual en magnitud y de signo opuesto a la carga total emitida. Pero si el emisor está conectado a una batería, esta carga que queda detrás será neutralizada por la carga suministrada por la batería, como los portadores de carga emitidos alejarse del emisor y, finalmente, el emisor será en el mismo estado que estaba antes emisión. La emisión termoiónica de electrones es también conocida como la emisión de electrones térmico.

El ejemplo clásico de la emisión termoiónica es la emisión de electrones desde un cátodo caliente , en un vacío (también conocido como el efecto Edison) en un tubo de vacío . El cátodo caliente puede ser un filamento de metal, un filamento metálico revestido, o una estructura separada de metal o carburos o boruros de metales de transición. Emisión de metales al vacío tiende a ser significativa sólo para temperaturas superiores a 1000 K. ha sido la ciencia que estudia el fenómeno conocido como thermionics, pero este nombre parece estar cayendo gradualmente en desuso.

El término "emisión termoiónica" ahora también se utiliza para referirse a cualquier proceso de carga emisión térmicamente excitado, incluso cuando la carga es emitida desde un estado sólido región a otra. Este proceso es de crucial importancia en la operación de una variedad de dispositivos electrónicos y puede ser utilizado para la generación de electricidad (por ejemplo, convertidor termoiónico , amarre electrodinámico ) o enfriamiento. La magnitud de la corriente de carga aumenta drásticamente al aumentar la temperatura.

Contenido

[ editar ] Historia

El efecto Edison en un tubo de diodo. Un tubo de diodo se conecta en dos configuraciones, una tiene un flujo de electrones y la otra no. Tenga en cuenta que las flechas representan la corriente de electrones, no corriente convencional .

Debido a que el electrón no se identificó como una partícula física independiente hasta que el trabajo 1897 de JJ Thomson , la palabra "electrónica" no se utiliza cuando se habla de experimentos que tuvieron lugar antes de esa fecha.

El fenómeno fue descrito inicialmente en 1873 por Frederick Guthrie en Gran Bretaña. Mientras se hace el trabajo sobre los objetos cargados, Guthrie descubrió que una esfera de hierro al rojo vivo con una carga positiva perdería su cargo (por alguna razón la descarga en el aire). También descubrió que esto no sucedería si la esfera tenía una carga negativa. [1] tempranas Otros contribuyentes incluyen Johann Wilhelm Hittorf (1869-1883), Eugen Goldstein (1885), y Julius Elster y Hans Friedrich Geitel (1882-1889) .

El efecto fue redescubierto por Thomas Edison el 13 de febrero de 1880, al tratar de descubrir la razón por la rotura de los filamentos de las lámparas y ennegrecimiento desigual (más oscuro cerca de una terminal de los filamentos) de las bombillas en sus lámparas incandescentes .

Edison construyó varios bulbos experimento, algunos con un cable adicional, una placa de metal o papel de aluminio dentro de la bombilla, que era eléctricamente separado del filamento, y por lo tanto podrían servir como un electrodo. Se conecta un galvanómetro , un dispositivo utilizado para medir la corriente, a la salida del electrodo de metal extra. Cuando la lámina de metal se carga negativamente con respecto al filamento, sin cargo fluía entre el filamento y la lámina. Ahora sabemos que esto se debía a que el filamento estaba emitiendo electrones, y por lo tanto no fueron atraídos a la lámina cargada negativamente. Además, la carga no fluyó de su envoltura, el filamento debido a que la lámina no se calentó lo suficiente como para emitir carga (más tarde llamado emisión termoiónica). Sin embargo, cuando la lámina se le da una carga más positiva que el filamento, carga negativa (en forma de electrones) puede fluir desde el filamento a través del vacío a la lámina. Esta corriente de un solo sentido se llama el efecto Edison (aunque el término se utiliza en ocasiones para referirse a sí misma emisión termoiónica). Él encontró que la corriente emitida por el filamento caliente se incrementó rápidamente con aumento de 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, [2] la primera patente de EE.UU. para una electrónica dispositivo). Él encontró que suficiente corriente pasaría a través del dispositivo para su funcionamiento una sonda telégrafo. Así lo expuso en la Exposición Internacional eléctrica en Filadelfia en septiembre de 1884. William Preece , un científico británico llevó consigo varios de los focos de efecto Edison, y presentó una ponencia sobre ellos en 1885, donde se refirió a la emisión termoiónica como el Edison " Efecto ". [3] El físico británico John Ambrose Fleming , que trabajaba para los británicos "telegrafía sin hilos" Sociedad, descubrió que el Efecto Edison podría ser utilizado para detectar las ondas de radio. Fleming pasó a desarrollar el de dos elementos de tubo de vacío conocido como el diodo , que patentó el 16 de noviembre de 1904.

El diodo termoiónico también puede ser configurado como un dispositivo que convierte una diferencia de calor a la energía eléctrica directamente sin partes móviles (un convertidor termoiónico , un tipo de motor térmico ).

Después de la identificación JJ Thomson sobre el electrón, el físico británico Owen Willans Richardson comenzó a trabajar en el tema que más tarde se llamó "la emisión termoiónica". Recibió el Premio Nobel de Física en 1928 "por su trabajo sobre el fenómeno termoiónico y especialmente para el descubrimiento de la ley que lleva su nombre".

[ edit Ley] Richardson

En cualquier metal sólido, hay uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. Esto a veces se denominan colectivamente como "mar de electrones". Sus velocidades siguen una distribución estadística, en lugar de ser uniforme, y de vez en cuando un electrón tendrá suficiente velocidad para salir el metal sin ser tirado hacia adentro La cantidad mínima de energía necesaria para un electrón para dejar una superficie que se llama la función de trabajo . La función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios . Corrientes termoiónicas se puede aumentar al disminuir la función de trabajo. Este objetivo a menudo deseado se puede lograr mediante la aplicación de varios recubrimientos de óxido al alambre.

En 1901 Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente desde un hilo caliente parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre con una forma matemática similar a la ecuación de Arrhenius . Más tarde, se propone que la ley de emisión debe tener la forma matemática [4]

J = A_ {\ mathrm {G}} T ^ 2 \ mathrm {e} ^ {W \ sobre k T}

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

Tomando el logaritmo de ambos lados

\ Ln J = \ ln A_G + 2 \ ln T - {\ frac {W} {{kT}}}

Por lo tanto, la ecuación que muestra la relación entre las densidades de corriente a dos temperaturas es

\ Ln J_2 - \ ln j_1 = \ ln A_G - \ ln A_G + 2 \ ln T_2 - 2 \ ln T_1 + {\ frac {W} {{kT_1}} - \ frac {W} {{}}} kT_2
\ Ln \ left ({\ frac {{J_2}} {{}}} j_1 \ right) = 2 \ ln \ left ({\ frac {{T_2}} {{T_1}}} \ right) + \ frac { {\ W}} {k} \ left ({\ frac {1} {{T_1}} - \ frac {1} {{T_2}}} \ derecho)

En el período de 1911 a 1930, como la comprensión física del comportamiento de los electrones en los metales aumentado, varios diferentes expresiones teóricas (basadas en diferentes supuestos físicos) se pusieron avanza por una G, por Richardson, Dushman Saul , Ralph H. Fowler , Arnold Sommerfeld y Lothar Wolfgang Nordheim . Más de 60 años después, todavía no existe un consenso entre los teóricos interesados ​​en cuanto a cuál es la forma precisa de la expresión para A G debe ser, pero hay acuerdo en que A G debe ser escrita en la forma

A_ {\ mathrm {G}} = \; \ lambda_ {\ mathrm {R}} a_0

donde λ R es un factor de corrección específica del material que es típicamente del orden de 0,5, y un 0 es una constante universal dada por [4]

A_0 = {4 \ pi ^ mk 2 e \ over h ^ 3} = 1,20173 \ times 10 ^ 6 \, \ mathrm {A \, m ^ {-2} \, K ^ {-2}}

donde m y - e son la masa y la carga de un electrón, y h es la constante de Planck .

De hecho, en 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 llegaron a la superficie del emisor, por lo que la densidad de corriente de emisión se reduciría, y λ R tiene el valor (1 - r av). Por lo tanto, a veces se ve la ecuación emisión termoiónica escrito en la forma

J = (1-r_ {\ mathrm {av}}) a_0 T ^ 2 \ mathrm {e} ^ {W \ sobre k T} .

Sin embargo, un tratamiento moderno teórico por Modinos supone que la banda de la estructura del material emisor también debe tenerse en cuenta. Esto introduciría un segundo factor de corrección λ λ B en R, dando A_ {\ mathrm {G}} = \ lambda_ {\ mathrm {B}} (1-r_ {\ mathrm {av}}) a_0 . Los valores experimentales para el "generalizado" coeficiente A G son generalmente del orden de magnitud de A 0, pero difieren significativamente entre materiales emisores diferentes, y puede diferir entre las distintas caras cristalográficas del mismo material. Al menos cualitativamente, estas diferencias experimentales puede ser explicado como debido a las diferencias en el valor de R λ.

Existe una considerable confusión en la literatura de esta zona debido a que: (1) muchas fuentes no distinguen entre A y G 0 A, pero sólo tiene que utilizar el símbolo A (y, a veces el nombre de " Richardson constante ") de manera indiscriminada, las ecuaciones (2) y con sin el factor de corrección aquí denota por λ $ son ambos el mismo nombre, y (3) una variedad de nombres existen para estas ecuaciones, incluyendo "ecuación de Richardson", "Dushman la ecuación", "Richardson-Dushman ecuación" y "-Richard Laue-Dushman ecuación ". En la literatura, la ecuación primaria se da a veces en circunstancias en que la ecuación generalizada sería más apropiado, y esto en sí mismo puede causar confusión. Para evitar malentendidos, el significado de cualquier clase "A-como" símbolo siempre debe estar explícitamente definida en términos de las cantidades más fundamentales involucrados.

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

[ edit ] Schottky de emisión

En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente cañones de electrones , el emisor termoiónico electrón estará sesgada negativo con relación a su entorno. Esto crea un campo eléctrico de magnitud F en la superficie del emisor. Sin el campo, la barrera de superficie vista por un escape de Fermi nivel de electrones tiene una altura igual a la función local de trabajo-W. El campo eléctrico disminuye la barrera de superficie en una cantidad Δ W, y aumenta la corriente de emisión. Esto se conoce como el efecto Schottky (el nombre de Walter H. Schottky ) o campo de emisión termoiónica mejorada. Que puede ser modelado por una simple modificación de la ecuación de Richardson, mediante la sustitución de W por (W - W Δ). Esto da la ecuación [5] [6]

J (F, T, W) = A_ {\ mathrm {G}} T ^ 2 e ^ {- (W - \ Delta W) \ sobre k T}
\ Delta W = \ sqrt {e ^ 3 F \ over 4 \ pi \ epsilon_0}

donde ε 0 es la constante eléctrica (también, anteriormente, llama la permitividad de vacío ).

Emisión de electrones que tiene lugar en el campo-y-temperatura-régimen donde esta ecuación modificada se aplica a menudo se llama Schottky de emisión. Esta ecuación es relativamente preciso para fuerzas de campo eléctrico inferior a aproximadamente 10 8 -1 V m. Para intensidades de campo eléctrico mayor que 10 8 -1 V m, el llamado Fowler-Nordheim (FN) tunelización comienza a contribuir significativa emisión actual. En este régimen, los efectos combinados de campo mejorada termoiónica y de emisión de campo puede ser modelada por la ecuación Murphy-Bueno para termo-campo (TF) de emisión. [7] En los campos más altos, túneles FN se convierte en el mecanismo de emisión de electrones dominante, y el emisor opera en el llamado "frío campo de emisión de electrones (CFE)" régimen.

Emisión termoiónica también puede ser mejorado por la interacción con otras formas de excitación como la luz. [8] Por ejemplo, excitado Cs-vapores en grupos termoiónicas forma convertidores de Cs- Rydberg materia que producen una disminución de la función de trabajo de colector emisor de 1,5 eV a 1.0-0.7 eV. Debido a la larga duración naturaleza de la materia Rydberg esta función de trabajo baja sigue siendo baja, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura de. [9]

[ edit ] Photon mejorada emisión termoiónica

Photon potenciado por emisión termoiónica (PETE), un proceso desarrollado por ingenieros de la Universidad de Stanford , que aprovecha tanto la luz y 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 llega a su máxima eficiencia después de que alcance 200 ° C, la mayoría de silicio células solares se vuelven inertes después de alcanzar 100 ° C. Este dispositivo funcionará mejor en colectores cilindro-parabólicos coleccionistas, que llegan a temperaturas de alrededor de 800 ° C. Aunque el equipo utilizó un nitruro de galio semiconductor en su "prueba de concepto" del dispositivo, que afirma que el uso de arseniuro de galio puede aumentar la eficiencia del dispositivo a 55-60 por ciento, casi el triple que la de los sistemas existentes, [10] [11] que es sólo 12-17 por ciento más que los actuales 43 por ciento de unión de múltiples células solares. [12]

[ editar ] Véase también

[ editar ] Referencias

  1. ^ Richardson, OW (2003). emisión termoiónica de los cuerpos calientes . Wexford College Press . 196 pp. ISBN 978-1-929148-10-3 . http://books.google.com/books?id=PrbOIoMnxnwC&pg=PA196 .
  2. ^ Patente de EE.UU. 307.031
  3. ^ Josephson, M. (1959). Edison. McGraw-Hill . ISBN 0-07-033046-8 .
  4. ^ un b Crowell, CR (1965). La constante ". Richardson para la emisión termoiónica en los diodos de barrera Schottky" electrónica de estado sólido 8 (4): 395-399. BIBCODE 1965SSEle ... 8 .. 395C . doi : 10.1016/0038-1101 (65) 90.116-4 .
  5. ^ Kiziroglou, ME; Li, X.; Zhukov, AA, De Groot, PAJ, De Groot, CH (2008). "Emisión termoiónica campo en electrodepositada Ni-Si las barreras de Schottky". electrónica de estado sólido 52 (7):. 1032-1038 BIBCODE 2008SSEle .. 52.1032K . doi : 10.1016/j.sse.2008.03.002 .
  6. ^ Orloff, J. (2008). "Schottky de emisión" . Manual de Óptica partícula cargada (2 ª ed.). CRC Press . pp
  7. ^ Murphy, EL, bueno, GH (1956). "Emisión termoiónica, emisión de campo, y la región de transición". Physical Review 102 (6): 1464-1473. BIBCODE 1956PhRv .. 102.1464M . doi : 10.1103/PhysRev.102.1464 .
  8. ^ Mal'Shukov, AG; Chao, KA (2001). "Opto-Lámparas de refrigeración en heteroestructuras de semiconductores." Physical Review Letters 86 (24): 5570-5573. BIBCODE 2001PhRvL .. 86.5570M . doi : 10.1103/PhysRevLett.86.5570 .
  9. ^ Svensson, R.; Holmlid, L. (1992). "Muy bajo superficies de trabajo de función de condensados ​​estados excitados: materia Rydber de cesio." Surface Science 269/270: 695-699. BIBCODE 1992SurSc.269 .. 695S . doi : 10.1016/0039-6028 (92) 91.335-9 .
  10. ^ Bergeron, L. (2 de agosto de 2010). "Nuevo proceso de conversión de la energía solar descubierto por los ingenieros de Stanford podría modernizar la producción de energía solar" . Stanford Report. http://news.stanford.edu/news/2010/august/new-solar -método-080210.html . Consultado el 04/08/2010.
  11. ^ Schwede, JW, et al (2010).. "Photon-emisión termoiónica mejorada para sistemas de concentración solar". Nature Materials 9 (9): 762. BIBCODE 2010NatMa ... 9 .. 762S . doi : 10.1038/nmat2814 .
  12. ^ Verde, MA; Emery, K.; Hishikawa, Y.; Warta, W. (2011). "Solar tablas celulares eficiencia (versión 37)". Avances en energía fotovoltaica: Investigación y Aplicaciones 19 (1): 84. doi : 10.1002/pip.1088 .

[ editar ] Enlaces externos