Termionisk emission

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 januari 2021; kontroller kräver 10 redigeringar .

Termionisk emission ( Richardson -effekt , Edison-effekt ) är strålning av elektroner från ett fast ämne, metall och halvledare till det fria utrymmet (vanligtvis till ett vakuum eller en förtärnad gas) när det värms upp till en hög temperatur. Utsläpp observeras från 900 K.

Upptäcktshistorik

Detta fenomen rapporterades första gången av Edmond Becquerel 1853 [1] [2] .

Fenomenet återupptäcktes 1873 av Frederick Guthrie i Storbritannien [3] : när han arbetade med laddade kroppar upptäckte Guthrie att en glödhet järnkula förlorar sin laddning om den är negativt laddad, men en positivt laddad kula gör det inte tappa laddningen [4] .

Termionisk emission studerades också av Johann Gittorf (1869-1883) [5] , Eugen Goldstein (1885) [6] , Julius Elster och Hans Geitel (1882-1889) [7] .

Effekten återupptäcktes av Thomas Edison den 13 februari 1880. I sina experiment försökte Edison ta reda på varför i glödlampan han skapade, glödtrådarna brann ut i förväg och varför en mörk beläggning bildades på insidan av glödlampan nära glödtrådens positiva elektrod . Edison gjorde experiment med flera experimentella evakuerade glödlampor med en extra metallplatta eller en bit folie inuti glödlampan, som i sig är elektriskt isolerad från glödtråden och har ett extra eluttag genom glödlampans glas. I dessa experiment upptäckte Edison att om denna platta hade en positiv potential i förhållande till glödtråden, så flödade en märkbar ström genom vakuumet, och om plattans potential var negativ i förhållande till glödtråden, så fanns det ingen ström, och ström observerades endast om glödtråden var tillräckligt varm.

I framtiden förklarades detta fenomen av utsläpp av elektroner, som är negativt laddade partiklar, uppvärmda kroppar. Men vid den beskrivna tidpunkten hade elektronen ännu inte upptäckts: den upptäcktes av Joseph Thomson först 1897.

Edison upptäckte också att strömmen från den uppvärmda glödtråden ökade snabbt med ökande glödtrådsspänning och ansökte den 15 november 1883 om ett patent på en anordning för att reglera spänningen med hjälp av en effekt (US-patent 307 031). Detta amerikanska patent för en elektronisk enhet anses vara det första [8] .

Edison presenterade flera kopior av glödlampor med en demonstration av effekten på International Electric Exhibition i Philadelphia i september 1884. Den brittiske vetenskapsmannen William Preece , som besökte utställningen, tog med sig flera av dessa lampor för att studera fenomenet. Efter att ha studerat dem utarbetade han en rapport 1885 där han kallade termionisk emission för "Edison-effekten" [9] [10] .

Sedan upptäckte den brittiske fysikern John Ambrose Fleming , som arbetade för det brittiska företaget Wireless Telegraphy , att Edison-effekten kunde användas för att upptäcka radiovågor . Fleming fortsatte med att utveckla vakuumröret med två elektroder, nu känt som vakuumdioden, för vilket han fick patent den 16 november 1904 [11] .

Fenomenets fysik

För att en elektron ska kunna lämna en metall i yttre rymden, måste den ges lite energi, kallad elektronens arbetsfunktion , för att övervinna potentialbarriären .

Koncentrationen av fria elektroner i metaller är ganska hög, därför, även vid medeltemperaturer, på grund av distributionen av elektroner i termer av hastigheter (i termer av energi), har några av dem tillräckligt med energi för att övervinna potentialbarriären vid metallgränsen . Vid rumstemperatur är andelen av sådana elektroner mycket liten, och ingen termionisk emissionsström observeras. När temperaturen stiger ökar den kinetiska energin för termisk rörelse snabbt, och termionemission blir märkbar.

Studiet av lagarna för termionisk emission kan observeras med den enklaste lampan med två elektroder -  en vakuumdiod , som är en cylinder från vilken gas pumpas ut, med två elektroder placerade inuti den: en katod och en anod . I det enklaste fallet kan en tråd gjord av en eldfast metall (till exempel volfram ), uppvärmd av en elektrisk ström, fungera som en katod. Anoden är oftast gjord i form av en ihålig metallcylinder som omger katoden. Om en spänning appliceras mellan anoden och katoden, då med en varm katod och när en positiv spänning i förhållande till katoden appliceras på anoden, börjar strömmen att flyta genom gapet mellan anoden och katoden. Om en negativ spänning i förhållande till katoden appliceras på anoden, stannar strömmen, oavsett hur mycket katoden värms upp. Av denna erfarenhet följer att den uppvärmda katoden avger negativa partiklar - elektroner.

Om temperaturen på den uppvärmda katoden hålls konstant och anodströmmens beroende av anodspänningen plottas - strömspänningskarakteristiken för en vakuumdiod, visar det sig att den är icke-linjär, det vill säga Ohms lag är inte uppfyllt för en vakuumdiod.

Beroendet av den termioniska strömmen på anodspänningen i området med små positiva värden beskrivs av lagen om kraften på tre sekunder (etablerad av den ryska fysikern S. A. Boguslavsky och den amerikanske fysikern I. Langmuir ):

, var  är koefficienten ( perveance ), beroende på formen och storleken på elektroderna, samt deras relativa position.

Med en ökning av anodspänningen ökar strömstyrkan till ett visst maxvärde, vid vilket strömmen kallas mättnadsström , och ökar sedan inte med en efterföljande ökning av spänningen vid anoden. I detta fall absorberas nästan alla elektroner som lämnar katoden av anoden, så en ytterligare ökning av fältstyrkan mellan anoden och katoden kan inte leda till en ökning av strömmen. Därför kännetecknar mättnadsströmtätheten emissiviteten hos katodmaterialet.

En termionisk diod kan också användas för att omvandla temperaturskillnader till elektricitet direkt, utan rörliga delar - såsom termionomvandlaren , en typ av värmemotor.

Richardsons formel för mättnadsströmdensitet

Formeln, som Richards ursprungligen härledde på basis av den klassiska elektroniska teorin om metaller och som den amerikanske vetenskapsmannen S. Dashman sedan förfinade med hjälp av kvantteorin , kallas Richardson-Deshman-ekvationen.

Mättnadsströmtätheten bestäms av Richardson-Deshmans formel, teoretiskt härledd på basis av kvantstatistik [12] :

, var:
  •  är avstötningskoefficienten för elektroner från potentialbarriären, eller snarare värdet som medelvärdet över spektrumet av termionelektroner;
  •  är den termoelektriska konstanten lika med a i modellen av fria elektroner av A. Sommerfeld —
  •  är arbetsfunktionen (potentialen) för elektroner från katoden;
  •  - Boltzmanns konstant ;
  • u  är elektronens laddning och massa;
  •  - Plancks konstant ;
  •  är den absoluta temperaturen .

För praktisk tillämpning skrivs denna formel också som [13] :

, där  finns parametrar som är konstanta för ett givet katodmaterial och bestäms av erfarenhet.

En minskning av arbetsfunktionen leder till en snabb ökning av mättnadsströmdensiteten. Typiskt används katoder som tål höga temperaturer och har hög emissivitet: som regel volfram, torierad volfram och lantanhexaborid ( ). Oxidkatoder används också (till exempel volfram belagd med ett tunt lager av alkaliska jordartsmetalloxider ) med en lägre driftstemperatur jämfört med de som anges ovan.

Schottky-effekten i termionisk emission

När ett externt elektrostatiskt fält appliceras , vars kraftlinjer är riktade mot emittern (katoden) - det vill säga denna elektrod har en negativ potential i förhållande till anoden - en minskning av arbetsfunktionen hos elektroner från katoden observeras . Detta fenomen kallas Schottky-effekten, uppkallat efter Walter Schottky som forskat om det. En ungefärlig förklaring av effekten ges i figuren. Ett externt elektriskt fält sänker arbetsfunktionen med . Elektroner i en metall har en energi som är lika med energin på Ferminivån och elektroner på ett oändligt avstånd från ytan har en energi . Skillnaden mellan dessa energier är arbetsfunktionen . Summan av attraktionskrafter till katoden och från det yttre fältet har ett lokalt maximum på ett avstånd från katoden, och detta maximum har en energi som är lägre än den utgående energin, vilket ökar den termioniska emissionen. Emissionen av elektroner som uppstår som ett resultat av den kombinerade verkan av Schottky-effekten och termionisk emission kallas ofta "Schottky-emission". Formeln för den termioniska emissionsströmtätheten, med hänsyn till Schottky-effekten, kan erhållas genom en enkel modifiering av Richardsons formel, genom att ersätta energi i den [14] [15] :

Värdet av minskningen av arbetsfunktionen på grund av Schottky-effekten ges av formeln:

var:

Denna formel stämmer väl överens med praktiska mätningar vid elektriska fältstyrkor upp till cirka 10 8 V/m . För en elektrisk fältstyrka över 10 8 V/m blir elektrontunnling genom potentialbarriären, den så kallade Fowler-Nordheim- tunnlingen, signifikant och tunnelströmmen börjar ge ett betydande bidrag till den totala emissionsströmmen. I detta läge kan effekterna av termion- och tunnelemission, som förstärks av fältet, beskrivas med Murphy-Goode-ekvationen [16] . I ännu starkare fält blir Fowler-Nordheim-tunnling den dominerande elektronemissionsmekanismen, och katoden arbetar i den så kallade "kallelektronemissionen" eller "fältemissionsmoden".

Termionisk emission kan också förstärkas genom andra former av excitation av katodytan, till exempel genom bestrålning med ljus [17] . Sålunda bildar exciterade cesiumatomer i ångor i termionomvandlare Cs - Rydberg aktiva centra , vilket leder till en minskning av arbetsfunktionen från 1,5 eV till 1,0-0,7 eV . Dessa centra har lång livslängd, och arbetsfunktionen förblir låg, vilket avsevärt ökar effektiviteten hos termionomvandlaren [18] .

Tillämpning av fenomenet

Driften av alla vakuum elektroniska enheter och katodstråleenheter , elektronstråleteknik, elektronmikroskop och termioniska energiomvandlare är baserad på fenomenet termionisk emission .

Anteckningar

  1. ↑ Paxton, William TERMIONISKA ELEKTRONEMISSIONS- EGENSKAPER HOS NITROGEN-INCORPORATED POLYCRYSTALLINE DIAMANT-FILM . Hämtad 22 november 2016. Arkiverad från originalet 23 november 2016.
  2. ↑ Termionisk effektomvandlare . Encyclopedia Britannica . Hämtad 22 november 2016. Arkiverad från originalet 23 november 2016.
  3. ↑ Se till exempel:
  4. ↑ Richardson OW termioniska utsläpp från heta kroppar . - Wexford College Press, 2003. - S. 196. - ISBN 978-1-929148-10-3 .  
  5. ↑ Se till exempel:
  6. ↑ E. Goldstein (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" Arkiverad 13 januari 2018. (Om elektrisk ledning i vakuum) Annalen der Physik und Chemie , 3:e serien, 24  : 79-92.
  7. ↑ Se till exempel:
  8. ↑ Edison, Thomas A. , "Electrical indicator", US 307031 , publicerad 15 november 1883, utfärdad 21 oktober 1884
  9. ↑ Preece, William Henry. Om ett märkligt beteende hos glödlampor när de höjs till hög glödlampa  // Proceedings of the Royal Society of London  : journal  . - 1885. - Vol. 38 , nr. 235-238 . - S. 219-230 . - doi : 10.1098/rspl.1884.0093 . Arkiverad från originalet den 26 juni 2014. Preece myntar termen "Edison-effekten" på sidan 229.
  10. ↑ Josephson M. Edison . - McGraw-Hill Education , 1959. - ISBN 978-0-07-033046-7 .  
  11. ↑ Se till exempel:
    • Provisorisk specifikation för en termionisk ventil lämnades in den 16 november 1904. I detta dokument myntade Fleming den brittiska termen "ventil" för vad som i Nordamerika kallas ett "vakuumrör": "Medlen jag använder för detta ändamål består i att införande i kretsen av en apparats växelström som endast tillåter passage av elektrisk ström i en riktning och därför utgör en elektrisk ventil".
    • Fleming, John Ambrose, "Förbättringar av instrument för att detektera och mäta växelströmmar", GB 190424850 , publicerad 15 augusti 1905, utfärdad 21 september 1905
    • Fleming, John Ambrose, "Instrument för omvandling av elektriska växelströmmar till kontinuerliga strömmar", US 803684 , publicerad 29 april 1905, utfärdad 7 november 1905
  12. ↑ Fridrikhov S. A., Movnin S. M. Kapitel 10. Physical foundations of emission electronics // Physical foundations of electronic technology. - M . : Högre skola, 1982. - S. 434-435. — 608 sid.
  13. ↑ Zinoviev V. A. Kort teknisk referens. Volym 1. - M.-L. Techteorizdat, 1949. - sid. 183
  14. ↑ Kiziroglou ME; Li X.; Zjukov A.A.; De Groot PAJ; De Groot CH Termionfältemission vid elektroavsatta Ni-Si Schottky-barriärer  (engelska)  // Solid-State Electronics : journal. - 2008. - Vol. 52 , nr. 7 . - P. 1032-1038 . - doi : 10.1016/j.sse.2008.03.002 . - . Arkiverad från originalet den 9 augusti 2020.
  15. ↑ Orloff, J. Schottky-emission // Handbook of Charged Particle Optics (neopr.) . — 2:a. - CRC Press , 2008. - S. 5-6. — ISBN 978-1-4200-4554-3 .  
  16. ↑ Murphy, E.L.; Bra GH termionisk emission, fältemission och övergångsregion  (engelska)  // Physical Review  : journal. - 1956. - Vol. 102 , nr. 6 . - P. 1464-1473 . - doi : 10.1103/PhysRev.102.1464 . - .
  17. ↑ Mal'Shukov AG; Chao KA Opto-Thermionic Refrigeration in Semiconductor Heterostructures  (engelska)  // Physical Review Letters  : journal. - 2001. - Vol. 86 , nr. 24 . - P. 5570-5573 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.86.5570 . - . — PMID 11415303 .
  18. ↑ Svensson R.; Holmlid L. Ytor med mycket låga arbetsfunktioner från kondenserade exciterade tillstånd: Rydbermaterial av cesium  //  Surface Science : journal. - 1992. - Vol. 269/270 . - s. 695-699 . - doi : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . - .

Litteratur

  • Hering K., Nichols M. Termionisk emission. - M . : Förlag för utländsk litteratur, 1950. - 196 sid.

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger