Emisión termoiónica

Thermally induced flow of charge carriers from a surface

Primer plano del filamento en una lámpara de descarga de gas de mercurio de baja presión que muestra una capa de mezcla de emisión termoiónica blanca en la parte central de la bobina. Típicamente hecho de una mezcla de óxidos de bario , estroncio y calcio , el recubrimiento se pulveriza con el uso normal, lo que a menudo da como resultado el fallo de la lámpara.

Una de las bombillas con las que Edison descubrió la emisión termoiónica. Consiste en una bombilla de vidrio al vacío que contiene un filamento de carbono (en forma de horquilla) , con una placa de metal adicional unida a los cables que emergen de la base. Los electrones liberados por el filamento fueron atraídos a la placa cuando tenía un voltaje positivo.

La emisión termoiónica 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 dada al portador de carga supera la función de trabajo del material. Los portadores de carga pueden ser electrones o iones , y en la literatura más 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 inicialmente se deja atrás en la región emisora. Pero si el emisor está conectado a una batería, la carga que queda 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 estaba antes de la emisión.

El ejemplo clásico de emisión termoiónica es el de los electrones de un cátodo caliente al vacío (también conocido como emisión térmica de electrones o efecto Edison ) 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 ser significativa solo para temperaturas superiores a 1000 K (730 ° C; 1340 ° F).

El término 'emisión termoiónica' ahora también se usa para referirse a cualquier proceso de emisión de carga excitada térmicamente, incluso cuando la carga se emite de una región de estado sólido a otra. 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 correas electrodinámicas ) o refrigeración. La magnitud del flujo de carga aumenta drásticamente al aumentar la temperatura.

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. Tenga en cuenta que las flechas representan la corriente de electrones, no la corriente convencional .

Debido a que el electrón no se identificó como una partícula física separada hasta el trabajo de JJ 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 . ^{[1] [2]} Fue redescubierto en 1873 por Frederick Guthrie en Gran Bretaña. ^[3] Mientras trabajaba en objetos cargados, Guthrie descubrió que una esfera de hierro al rojo vivo con una carga negativa perdería su carga (descargándola de alguna manera en el aire). También descubrió que esto no sucedía si la esfera tenía una carga positiva. ^[4] Otros contribuyentes tempranos incluyeron a Johann Wilhelm Hittorf (1869-1883), ^[5] Eugen Goldstein (1885), ^[6] y Julius Elster y Hans Friedrich Geitel (1882-1889). ^[7]

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

Edison construyó varias bombillas de lámpara experimentales con un cable adicional, una placa de metal o una lámina dentro de la bombilla que estaba separada del filamento y, por lo tanto, podría servir como electrodo. Conectó un galvanómetro , un dispositivo que se usa para medir la corriente (el flujo de carga), a la salida del electrodo metálico adicional. Si la hoja se puso 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 hasta la lámina si el filamento se calentó lo suficiente (por su propia fuente de energía externa).

Ahora sabemos que el filamento emitía electrones, que fueron atraídos por una lámina cargada positivamente, pero no una cargada negativamente. Esta corriente unidireccional se denominó efecto Edison (aunque el término se usa ocasionalmente para referirse a la emisión termoiónica en sí). Descubrió que la corriente emitida por el filamento caliente aumentaba rápidamente al aumentar el 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, ^[8] la primera patente de EE. UU. Para un dispositivo electrónico dispositivo). Encontró que pasaría suficiente corriente a través del dispositivo para operar una sonda telegráfica. Esto se exhibió en la Exposición Eléctrica Internacional 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". ^{[9] [10]} El físico británico John Ambrose Fleming , que trabajaba para la empresa británica "Wireless Telegraphy", descubrió que el efecto Edison podía utilizarse 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. ^[11]

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

Ley de Richardson

Tras la identificación del electrón por JJ 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 un "mar de electrones". Sus velocidades siguen una distribución estadística, en lugar de ser uniformes, y ocasionalmente un electrón tendrá suficiente velocidad para salir del metal sin ser atraído 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 alambre.

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 . ^[12] Posteriormente, propuso que la ley de emisiones debería tener la forma matemática ^[13]

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

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 , Richardson, Saul Dushman , Ralph H. Fowler , Arnold Sommerfeld y A _G presentaron varias expresiones teóricas (basadas en diferentes supuestos físicos). 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

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

donde λ _R es un factor de corrección específico del material que es típicamente de orden 0.5, y A ₀ es una constante universal dada por ^[13]

${\displaystyle A_{0}={4\pi mk^{2}q_{e} \over h^{3}}=1.20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}} }$

donde m y${\displaystyle -q_{e}}$son la masa y la carga de un electrón, respectivamente, y h es la constante de Planck .

De hecho, alrededor de 1930 se llegó a un acuerdo en que, debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones, alguna proporción r _av de los electrones salientes se reflejaría cuando alcanzaran la superficie del emisor, por lo que la densidad de la 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

${\displaystyle J=(1-r_{\mathrm {av} })\lambda _{B}A_{0}T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}}$.

Sin embargo, un tratamiento teórico moderno de Modinos supone que también debe tenerse en cuenta la estructura de bandas del material emisor. Esto introduciría un segundo factor de corrección λ _B en λ _R , dando${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}}$. Los valores experimentales para el coeficiente "generalizado" A _G son generalmente del orden de magnitud de A ₀ , pero difieren significativamente entre diferentes materiales emisores y pueden diferir entre diferentes caras cristalográficas del mismo material. Al menos cualitativamente, estas diferencias experimentales pueden explicarse 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 A ₀ , sino que simplemente usan el símbolo A (ya veces el nombre "constante de Richardson") indiscriminadamente; (2) ecuaciones con y sin el factor de corrección aquí denotado por λ _Rambos reciben el mismo nombre; y (3) existe una variedad de nombres para estas ecuaciones, incluyendo "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 símbolo "similar a A" 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 . (Básicamente, para todos los materiales, la fusión ocurre mucho antes de kT = W ).

La ley de emisión termoiónica se ha revisado recientemente para materiales 2D en varios modelos. ^{[14] [15] [16]}

Emisión Schottky

Fuente de electrones emisor de Schottky de un microscopio electrónico

En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente 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 F en la superficie del emisor. Sin el campo, la barrera de superficie 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 de la superficie en una cantidad Δ W y aumenta la corriente de emisión. Esto se conoce como el efecto Schottky (llamado así por Walter H. Schottky ) o emisión termoiónica mejorada en el campo. Puede modelarse mediante una simple modificación de la ecuación de Richardson, reemplazando W por ( W - Δ W ). Esto da la ecuación ^{[17] [18]}

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

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

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

La emisión de electrones que tiene lugar en el régimen de campo y temperatura donde se aplica esta ecuación modificada se denomina a menudo emisión de Schottky . Esta ecuación es relativamente precisa para intensidades de campo eléctrico inferiores a aproximadamente 10 ⁸ V m ⁻¹ . Para intensidades de campo eléctrico superiores a 10 ⁸ V m ⁻¹ , el llamado túnel de Fowler-Nordheim (FN) comienza a aportar una corriente de emisión significativa. En este régimen, los efectos combinados de la emisión de campo y termoiónica mejorada en el campo se pueden modelar mediante la ecuación de Murphy-Good para la emisión de campo térmico (TF). ^[19]En campos aún más altos, la tunelización FN se convierte en el mecanismo de emisión de electrones dominante, y el emisor opera en el llamado régimen de "emisión de electrones de campo frío (CFE)" .

La emisión termoiónica también se puede mejorar mediante la interacción con otras formas de excitación, como la luz. ^[20] Por ejemplo, los vapores de Cs excitados en los convertidores termoiónicos forman grupos de materia de Cs- Rydberg que producen una disminución de la función de trabajo de emisión del colector de 1,5 eV a 1,0–0,7 eV. Debido a la naturaleza duradera de la materia Rydberg, esta función de trabajo bajo permanece baja, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura. ^[21]

Emisión termoiónica mejorada por fotones

La emisión termoiónica 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 una eficiencia máxima por encima de los 200 ° C, mientras que la mayoría de las células solares de silicio se vuelven inertes después de alcanzar los 100 ° C. Estos dispositivos funcionan mejor en colectores de discos 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 arseniuro de galiopuede aumentar la eficiencia del dispositivo entre un 55% y un 60%, casi el triple de la de los sistemas existentes, ^{[22] [23]} y entre un 12% y un 17% más que las células solares de unión múltiple existentes del 43%. ^{[24] [25]}

Referencias

1. Paxton, William. "PROPIEDADES DE LA ELECTRONEMISIÓN TÉRMICA DE LAS PELÍCULAS DE DIAMANTE POLICRISTALINO INCORPORADAS CON NITRÓGENO" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 23 de noviembre de 2016 . Consultado el 22 de noviembre de 2016 .
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Enlaces externos

• Cómo funcionan realmente los tubos de vacío con una sección sobre emisión termoiónica, con ecuaciones , john-a-harper.com.
• Conferencia Nobel de Owen Richardson sobre termiónica , nobel.se, 12 de diciembre de 1929. (PDF)
• Derivaciones de ecuaciones de emisión termoiónica de un laboratorio de pregrado , csbsju.edu.