Termionikus emisszió

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. január 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzésekhez 10 szerkesztés szükséges .

A termikus emisszió ( Richardson -effektus , Edison-effektus ) az elektronok szilárd testből, fémből és félvezetőkből szabad térbe (általában vákuumba vagy ritkított gázba) történő kisugárzása, amikor azt magas hőmérsékletre hevítik. Az emissziót 900 K -től kezdik megfigyelni.

Felfedezési előzmények

Erről a jelenségről először Edmond Becquerel számolt be 1853-ban [1] [2] .

A jelenséget 1873-ban Frederick Guthrie fedezte fel újra Nagy-Britanniában [3] : töltött testekkel végzett munka közben Guthrie felfedezte, hogy egy vörösen izzó vasgolyó elveszíti töltését, ha negatív töltésű, a pozitív töltésű golyó viszont nem. elveszti a töltést [4] .

A termikus emissziót Johann Gittorf (1869-1883) [5] , Eugen Goldstein (1885) [6] , Julius Elster és Hans Geitel (1882-1889) [7] is tanulmányozta .

A hatást Thomas Edison fedezte fel újra 1880. február 13-án. Edison kísérletei során megpróbálta kideríteni, hogy az általa létrehozott izzólámpában miért égtek ki idő előtt az izzószálak, és miért alakult ki sötét bevonat az izzószál pozitív elektródája közelében az izzó belsejében . Edison kísérleteket végzett több kísérleti evakuált izzólámpával, amelyekben egy további fémlemez vagy fóliadarab volt az izzó belsejében, amely maga elektromosan el van választva az izzószáltól, és az izzó üvegén keresztül további elektromos csatlakozóaljzattal rendelkezik. Ezekben a kísérletekben Edison felfedezte, hogy ha ennek a lemeznek pozitív potenciálja van az izzószálhoz képest, akkor észrevehető áram folyik át a vákuumon, és ha a lemez potenciálja negatív az izzószálhoz képest, akkor nincs áram, és a áram csak akkor volt megfigyelhető, ha az izzószál elég meleg volt.

A jövőben ezt a jelenséget az elektronok kibocsátásával magyarázták, amelyek negatív töltésű részecskék, fűtött testek. A leírt időpontban azonban az elektront még nem fedezték fel: Joseph Thomson csak 1897-ben fedezte fel.

Edison azt is felfedezte, hogy a fűtött izzószálból származó áram gyorsan nő az izzószál feszültségének növekedésével, és 1883. november 15-én szabadalmat nyújtott be egy olyan eszközre, amely effektussal szabályozza a feszültséget (307 031 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom). Ezt az elektronikus eszközre vonatkozó amerikai szabadalmat tekintik az elsőnek [8] .

Edison 1884 szeptemberében Philadelphiában, a Nemzetközi Elektromos Kiállításon bemutatta az izzólámpák több példányát a hatás bemutatásával. William Preece brit tudós , aki ellátogatott a kiállításra, több ilyen lámpát vitt magával, hogy tanulmányozza a jelenséget. Ezek tanulmányozása után 1885-ben jelentést készített, amelyben a termikus emissziót "Edison-effektusnak" nevezte [9] [10] .

Aztán a brit fizikus , John Ambrose Fleming , aki a brit Wireless Telegraphy cégnél dolgozott , felfedezte, hogy az Edison-effektus felhasználható rádióhullámok észlelésére . Fleming továbbfejlesztette a kételektródos vákuumcsövet, amelyet ma vákuumdiódaként ismernek, amelyre 1904. november 16-án szabadalmat kapott [11] .

A jelenség fizikája

Ahhoz, hogy egy elektron kilépjen egy fémből a világűrbe, energiát kell adni neki, amelyet az elektron munkafüggvényének neveznek, hogy legyőzze a potenciálgát .

A fémekben a szabad elektronok koncentrációja meglehetősen magas, ezért még közepes hőmérsékleten is az elektronok sebességbeli (energia szerinti) eloszlása ​​miatt némelyikük elegendő energiával rendelkezik a fémhatáron lévő potenciálgát leküzdésére . . Szobahőmérsékleten az ilyen elektronok aránya nagyon kicsi, és nem figyelhető meg termikus emissziós áram. A hőmérséklet emelkedésével a hőmozgás kinetikus energiája gyorsan növekszik, és a termikus emisszió észrevehetővé válik.

A termikus emisszió törvényeinek tanulmányozása a legegyszerűbb kételektródos lámpa  - egy vákuumdióda - segítségével figyelhető meg , amely egy henger, amelyből a gázt kiszivattyúzzák, és benne két elektróda van elhelyezve: egy katód és egy anód . A legegyszerűbb esetben egy tűzálló fémből (például wolframból ) készült huzal, amelyet elektromos árammal melegítenek, katódként szolgálhat. Az anód leggyakrabban a katódot körülvevő üreges fémhenger formájában készül. Ha az anód és a katód közé feszültséget kapcsolunk, akkor forró katód esetén, és amikor a katódhoz képest pozitív feszültséget kapcsolunk az anódra, az áram elkezd folyni az anód és a katód közötti résen. Ha a katódhoz képest negatív feszültséget kapcsolunk az anódra, az áram leáll, függetlenül attól, hogy a katód mennyire melegszik. Ebből a tapasztalatból következik, hogy a felmelegített katód negatív részecskéket - elektronokat - bocsát ki.

Ha a fűtött katód hőmérsékletét állandó szinten tartják, és az anódáram függését az anódfeszültségtől ábrázoljuk - a vákuumdióda áram-feszültség jellemzőjét , akkor kiderül, hogy nemlineáris, vagyis Ohm törvénye vákuumdiódánál nem teljesül.

A termikus áram függőségét az anódfeszültségtől a kis pozitív értékek tartományában a három másodperc erejének törvénye írja le (melyet S. A. Boguslavsky orosz fizikus és I. Langmuir amerikai fizikus állapított meg ):

, ahol  az együttható ( perveance ), az elektródák alakjától és méretétől, valamint relatív helyzetüktől függően.

Az anódfeszültség növekedésével az áramerősség egy bizonyos maximális értékre nő, amelynél az áramot telítési áramnak nevezik , majd nem növekszik az anód feszültségének ezt követő növekedésével. Ebben az esetben a katódot elhagyó elektronok szinte mindegyikét elnyeli az anód, így az anód és a katód közötti térerősség további növelése nem vezethet az áramerősség növekedéséhez. Ezért a telítési áramsűrűség jellemzi a katódanyag emissziós képességét.

Termionikus diódával a hőmérséklet-különbségeket közvetlenül, mozgó alkatrészek nélkül is elektromos árammá alakíthatjuk – ilyen például a termokonverter , egyfajta hőmotor .

Richardson képlete a telítési áramsűrűségre

A képletet, amelyet Richards eredetileg a fémek klasszikus elektronikai elmélete alapján vezetett le, majd S. Dashman amerikai tudós kvantumelmélet segítségével finomított , Richardson-Deshman egyenletnek nevezik.

A telítési áramsűrűséget a kvantumstatisztika alapján elméletileg levezetett Richardson-Deshman képlet határozza meg [12] :

, ahol:
  •  az elektronok potenciálgátról való taszítási együtthatója, vagy inkább a termionos elektronok spektrumára átlagolt érték;
  • A. Sommerfeld szabad elektronok modelljében  a termoelektromos állandó egyenlő a -val .
  •  a katódról származó elektronok munkafüggvénye (potenciálja) ;
  •  - Boltzmann konstans ;
  • u  az elektron töltése és tömege;
  •  - Planck állandó ;
  •  az abszolút hőmérséklet .

A gyakorlati alkalmazás érdekében ezt a képletet a következőképpen is írják: [13] :

, ahol  az adott katódanyagra állandó és tapasztalatból meghatározott paraméterek vannak.

A munkafunkció csökkenése a telítési áramsűrűség gyors növekedéséhez vezet. Jellemzően olyan katódokat használnak, amelyek ellenállnak a magas hőmérsékletnek és nagy emissziós tényezővel rendelkeznek: általában volfrám, toriált volfrám és lantán-hexaborid ( ). Oxid katódokat is használnak (például vékony alkáliföldfém-oxid réteggel bevont volfrám ) , amelyek alacsonyabb üzemi hőmérséklettel rendelkeznek a fent felsoroltaknál.

A Schottky-effektus a termikus emisszióban

Ha külső elektrosztatikus mezőt alkalmazunk , amelynek erővonalai az emitter (katód) felé irányulnak - vagyis ez az elektróda negatív potenciállal rendelkezik az anódhoz képest - a katódról érkező elektronok munkafunkciójának csökkenése figyelhető meg. . Ezt a jelenséget Schottky-effektusnak nevezik, nevét Walter Schottkyról kapta, aki kutatta. A hatás hozzávetőleges magyarázata az ábrán látható. Egy külső elektromos mező csökkenti a munkafunkciót . A fémben lévő elektronok energiája megegyezik a Fermi-szint energiájával, a felülettől végtelen távolságban lévő elektronok energiája . A különbség ezen energiák között a munkafüggvény . A katódra és a külső térből érkező vonzó erők összegének van egy lokális maximuma a katódtól távolabb , és ennek a maximumnak az energiája kisebb, mint a kimeneti energia, ami növeli a termikus emissziót. A Schottky-effektus és a termikus emisszió együttes hatására fellépő elektronemissziót gyakran "Schottky-emissziónak" nevezik. A termikus emissziós áramsűrűség képlete, figyelembe véve a Schottky-effektust, a Richardson-képlet egyszerű módosításával, energiával helyettesítve megkapható [14] [15] :

A Schottky-effektus miatti munkafüggvény-csökkenés értékét a következő képlet adja meg:

ahol:

Ez a képlet jól illeszkedik a körülbelül 10 8 V/m elektromos térerősségig végzett gyakorlati mérésekhez . 10 8 V/m feletti elektromos térerősség esetén jelentőssé válik az elektronalagút a potenciálgáton, az úgynevezett Fowler-Nordheim alagút , és az alagútáram kezd jelentős mértékben hozzájárulni a teljes emissziós áramhoz. Ebben a módban a termikus és alagút emisszió hatásai, amelyeket a mező fokoz, a Murphy-Goode egyenlettel írható le [16] . A még erősebb mezőkben a Fowler-Nordheim alagút válik a domináns elektronemissziós mechanizmussá, a katód pedig úgynevezett "hideg elektronemissziós" vagy "mezőemissziós" üzemmódban működik.

A termikus emissziót a katódfelület gerjesztésének más formái is fokozhatják, például fénnyel történő besugárzással [17] . Így a termokonverterekben lévő gerjesztett cézium atomok gőzökben Cs - Rydberg aktív centrumokat alkotnak , ami a munkafüggvény 1,5 eV -ról 1,0-0,7 eV -ra csökkenéséhez vezet . Ezek a központok hosszú élettartamúak, és a munkafunkció alacsony marad, ami jelentősen megnöveli a termokonverter hatékonyságát [18] .

A jelenség alkalmazása

Az összes vákuumelektronikai eszköz és katódsugárzó eszköz , az elektronsugaras technológia, az elektronmikroszkópok és a termikus energiaátalakítók működése a termikus emisszió jelenségén alapul .

Jegyzetek

  1. ↑ Paxton, William A NITROGÉNBE BEÉPÍTETT POLIKKRISTÁLYOS GYÉMÁNT FÓLIÁK TERMIONOS ELEKTRONIKUSSZIÓS TULAJDONSÁGAI . Letöltve: 2016. november 22. Az eredetiből archiválva : 2016. november 23..
  2. ↑ Termionikus teljesítmény átalakító . Encyclopedia Britannica . Letöltve: 2016. november 22. Az eredetiből archiválva : 2016. november 23..
  3. ↑ Lásd például:
  4. ↑ Richardson OW Thermionic Emission from Hot Bodies . - Wexford College Press, 2003. - P. 196. - ISBN 978-1-929148-10-3 .  
  5. ↑ Lásd például:
  6. ↑ E. Goldstein (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" Archiválva : 2018. január 13. (Az elektromos vezetésről vákuumban) Annalen der Physik und Chemie , 3. sorozat, 24  : 79-92.
  7. ↑ Lásd például:
  8. ↑ Edison, Thomas A. , "Elektromos indikátor", US 307031 , 1883. november 15-én, 1884. október 21-én
  9. ↑ Preece, William Henry. Az izzólámpák sajátos viselkedéséről magas izzításra emelve  // ​​Proceedings of the Royal Society of London  : Journal  . - 1885. - Kt. 38 , sz. 235-238 . - 219-230 . - doi : 10.1098/rspl.1884.0093 . Archiválva az eredetiből 2014. június 26-án. Preece az „Edison-effektus” kifejezést használja a 229. oldalon.
  10. ↑ Josephson M. Edison . - McGraw-Hill Education , 1959. - ISBN 978-0-07-033046-7 .  
  11. ↑ Lásd például:
    • A termikus szelepre vonatkozó ideiglenes specifikációt 1904. november 16-án nyújtották be. Ebben a dokumentumban Fleming megalkotta a brit "szelep" kifejezést az Észak-Amerikában "vákuumcsőnek" nevezett dologra: "Az általam e célra használt eszközök a következők: olyan készülék váltakozó áramának az áramkörébe való beillesztése, amely csak egy irányba engedi át az elektromos áramot, és ezért elektromos szelepet alkot."
    • Fleming, John Ambrose, "Javítások a váltakozó elektromos áramok észlelésére és mérésére szolgáló műszerekben", GB 190424850 , 1905. augusztus 15-én, 1905. szeptember 21-én
    • Fleming, John Ambrose, "Váltakozó elektromos áramok folyamatos árammá alakító eszköz", US 803684 , 1905. április 29-én, 1905. november 7-én
  12. ↑ Fridrikhov S. A., Movnin S. M. 10. fejezet. Az emissziós elektronika fizikai alapjai // Az elektronikai technológia fizikai alapjai. - M . : Felsőiskola, 1982. - S. 434-435. — 608 p.
  13. ↑ Zinovjev V. A. Rövid műszaki hivatkozás. 1. kötet - M.-L. Techteorizdat, 1949. - p. 183
  14. ↑ Kiziroglou ME; Li X.; Zsukov A. A.; De Groot PAJ; De Groot CH Thermionic field emission at electrodeposited Ni-Si Schottky barriers  (angol)  // Solid-State Electronics : Journal. - 2008. - Vol. 52 , sz. 7 . - P. 1032-1038 . - doi : 10.1016/j.sse.2008.03.002 . - . Az eredetiből archiválva : 2020. augusztus 9.
  15. ↑ Orloff, J. Schottky emisszió // Handbook of Charged Particle Optics (neopr.) . — 2. - CRC Press , 2008. - S. 5-6. — ISBN 978-1-4200-4554-3 .  
  16. ↑ Murphy, E.L.; Good GH Thermionic Emission, Field Emission, and the Transition Region  (angol)  // Physical Review  : Journal. - 1956. - 1. évf. 102 , sz. 6 . - P. 1464-1473 . - doi : 10.1103/PhysRev.102.1464 . - .
  17. ↑ Mal'Shukov AG; Chao KA Opto-Thermionic Refrigeration in Semiconductor Heterostructures  (angol)  // Physical Review Letters  : folyóirat. - 2001. - Vol. 86 , sz. 24 . - P. 5570-5573 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.86.5570 . - . — PMID 11415303 .
  18. ↑ Svensson R.; Holmlid L. Nagyon alacsony munkafunkciós felületek kondenzált gerjesztett állapotokból: Rydber matter of cesium  //  Surface Science : Journal. - 1992. - 1. évf. 269/270 . - 695-699 . o . - doi : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . - .

Irodalom

  • Hering K., Nichols M. Termionikus emisszió. - M . : Külföldi Irodalmi Kiadó, 1950. - 196 p.

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban