Emisión termoiónica

La emisión termoiónica es la liberación de partículas cargadas de un electrodo caliente cuya energía térmica proporciona a algunas partículas suficiente energía cinética para escapar de la superficie del material. Las partículas, a veces llamadas termiones en la literatura antigua, ahora se sabe que son iones o electrones . La emisión térmica de electrones se refiere específicamente a la emisión de electrones y ocurre cuando la energía térmica supera la función de trabajo del material .

Después de la emisión, una carga opuesta de igual magnitud a la carga emitida se deja inicialmente en la región emisora. Pero si el emisor está conectado a una batería , esa carga restante se neutraliza con la carga suministrada por la batería a medida que se emiten partículas, por lo que el emisor tendrá la misma carga que tenía antes de la emisión. Esto facilita la emisión adicional para mantener una corriente eléctrica . Thomas Edison en 1880, mientras inventaba su bombilla , notó esta corriente, por lo que los científicos posteriores se refirieron a la corriente como el efecto Edison , aunque no fue hasta después del descubrimiento del electrón en 1897 que los científicos entendieron que se emitían electrones y por qué.

La emisión termoiónica es crucial para el funcionamiento de una variedad de dispositivos electrónicos y se puede utilizar para la generación de electricidad (como convertidores termoiónicos y amarres electrodinámicos ) o refrigeración. Los tubos de vacío termoiónicos emiten electrones desde un cátodo caliente hacia un vacío cerrado y pueden dirigir esos electrones emitidos con voltaje aplicado . El cátodo caliente puede ser un filamento metálico, un filamento metálico recubierto 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 ). El flujo de carga aumenta drásticamente con la temperatura.

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

Debido a que el electrón no fue identificado como una partícula física separada hasta el trabajo de JJ Thomson en 1897, la palabra "electrón" no se utilizó cuando se habló de experimentos que tuvieron lugar antes de esta fecha.

El fenómeno fue reportado inicialmente en 1853 por Edmond Becquerel . ^{[1] [2] [3]} Fue observado nuevamente en 1873 por Frederick Guthrie en Gran Bretaña. ^{[4] [5]} 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. ^[6] Otros contribuyentes tempranos incluyeron a Johann Wilhelm Hittorf (1869-1883), ^{[7] [8] [9] [10] [11] [12]} Eugen Goldstein (1885), ^[13] y Julius Elster y Hans Friedrich Geitel (1882-1889). ^{[14] [15] [16] [17] [18]}

En 1880, Thomas Edison volvió a observar la emisión termoiónica mientras su equipo intentaba descubrir la razón de la rotura de los filamentos de bambú carbonizado ^[19] y del ennegrecimiento no deseado de la superficie interior de las bombillas de sus lámparas incandescentes . Este ennegrecimiento era carbono depositado desde el filamento y era más oscuro cerca del extremo positivo del bucle del filamento, que aparentemente proyectaba una sombra clara sobre el vidrio, como si el carbono cargado negativamente emanara del extremo negativo y fuera atraído hacia el extremo positivo del bucle del filamento y, a veces, absorbido por él. Este carbono proyectado se consideró "transportador eléctrico" e inicialmente se atribuyó a un efecto en los tubos de Crookes donde los rayos catódicos cargados negativamente de un gas ionizado se mueven de un electrodo negativo a uno positivo. Para intentar redirigir las partículas de carbono cargadas a un electrodo separado en lugar del vidrio, Edison realizó una serie de experimentos (el primero, no concluyente, se encuentra en su cuaderno el 13 de febrero de 1880) como el siguiente que tuvo éxito: ^[20]

Este efecto tuvo muchas aplicaciones. Edison descubrió que la corriente emitida por el filamento caliente aumentaba rápidamente con el voltaje , y presentó una patente para un dispositivo regulador de voltaje que usaba el efecto el 15 de noviembre de 1883, ^[21] notablemente la primera patente estadounidense para un dispositivo electrónico. Descubrió que pasaría suficiente corriente a través del dispositivo para operar una sonda telegráfica , que se exhibió en la Exposición Eléctrica Internacional de 1884 en Filadelfia. El científico británico visitante William Preece recibió varias bombillas de Edison para investigar. El artículo de Preece de 1885 sobre ellas se refería a la corriente unidireccional a través del vacío parcial como el efecto Edison, ^{[22] [23]} aunque ese término se usa ocasionalmente para referirse a la emisión termoiónica en sí. El físico británico John Ambrose Fleming , que trabajaba para la British Wireless Telegraphy Company , descubrió que el efecto Edison podía usarse para detectar ondas de radio . Fleming pasó a desarrollar un diodo de tubo de vacío termoiónico de dos elementos llamado válvula Fleming (patentado el 16 de noviembre de 1904). ^{[24] [25] [26]} Los diodos termoiónicos también se pueden configurar para convertir una diferencia de calor en energía eléctrica directamente sin partes móviles como un dispositivo llamado convertidor termoiónico , un tipo de motor térmico .

Tras la identificación del electrón por 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 sus trabajos sobre el fenómeno termoiónico y, en particular, por el descubrimiento de la ley que lleva su nombre".

Según la teoría de bandas , en un sólido hay uno o dos electrones por átomo que pueden moverse libremente de un átomo a otro. A esto se le denomina a veces colectivamente "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 abandone una superficie se denomina función de trabajo . La función de trabajo es característica del material y, para la mayoría de los metales, es del orden de varios electronvoltios (eV). 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 modificada , . ^[27] Más tarde, propuso que la ley de emisión debería tener la forma matemática ^[28]${\displaystyle T^{1/2}\mathrm {e} ^{-b/T}}$

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

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 AG 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:

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

donde λ _R es un factor de corrección específico del material que normalmente es del orden de 0,5, y A ₀ es una constante universal dada por ^[29]

${\displaystyle A_{0}={4\pi mk^{2}q_{\text{e}} \sobre h^{3}}=1,20173\times 10^{6}\,\mathrm {A{\cdot }m^{-2}{\cdot }K^{-2}} }$

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

De hecho, hacia 1930 ya se había llegado a un acuerdo en que, debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones, una cierta proporción r _av de los electrones salientes se reflejaría al llegar a 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:

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

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 . 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 debidas a diferencias en el valor de λ _R .${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\lambda _ {\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}}$

Existe una considerable confusión 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 (y a veces el nombre "constante de Richardson") indiscriminadamente; (2) las ecuaciones con y sin el factor de corrección aquí denotado por λ _R 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. ^{[ se necesita más explicación ]} (Para prácticamente todos los materiales, la fusión ocurre mucho antes de que kT = W ).

La ley de emisión termoiónica se ha revisado recientemente para materiales 2D en varios modelos. ^{[30] [31] [32]}

En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente los cañones de electrones , el emisor de electrones termoiónico estará polarizado negativamente en relación con sus alrededores. Esto crea un campo eléctrico de magnitud E 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 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 por campo. Puede modelarse mediante una simple modificación de la ecuación de Richardson, reemplazando W por ( W  − Δ W ). Esto da la ecuación ^{[33] [34]}

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

${\displaystyle \Delta W={\sqrt {{q_{\text{e}}}^{3}E \sobre 4\pi \epsilon _{0}}},}$

donde ε ₀ es la constante eléctrica (también llamada permitividad del vacío ).

La emisión de electrones que tiene lugar en el régimen de campo y temperatura donde se aplica esta ecuación modificada se suele denominar emisión Schottky . Esta ecuación es relativamente precisa para intensidades de campo eléctrico inferiores a aproximadamente10 ⁸  V⋅m ⁻¹ . Para intensidades de campo eléctrico superiores a10 ⁸  V⋅m ⁻¹ , el llamado efecto túnel de Fowler–Nordheim (FN) comienza a contribuir con una corriente de emisión significativa. En este régimen, los efectos combinados de la emisión termoiónica y de campo mejorada por el campo se pueden modelar mediante la ecuación de Murphy-Good para la emisión de termocampo (TF). ^[35] En campos aún más altos, el efecto túnel de 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. ^[36] Por ejemplo, los vapores de cesio (Cs) excitados en los convertidores termoiónicos forman grupos de materia de Rydberg de Cs 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 de larga duración de la materia de Rydberg, esta baja función de trabajo permanece baja, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura. ^[37]

La emisión termoiónica potenciada por fotones (PETE, por sus siglas en inglés) 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 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 disco parabólico , que alcanzan temperaturas de hasta 800 °C. Aunque el equipo utilizó un semiconductor de nitruro de galio en su dispositivo de prueba de concepto, afirma que el uso de arseniuro de galio puede aumentar la eficiencia del dispositivo al 55-60 por ciento, casi el triple de la de los sistemas existentes, ^{[38] [39]} y entre un 12 y un 17 por ciento más que las células solares multiunión existentes del 43 por ciento. ^{[40] [41]}

• Carga espacial
• Ionización térmica

• Cómo funcionan realmente los tubos de vacío con una sección sobre emisión termoiónica, con ecuaciones, john-a-harper.com.
• Fenómenos termoiónicos y las leyes que los gobiernan, conferencia Nobel de Owen Richardson sobre termoiónica. nobelprize.org. 12 de diciembre de 1929. (PDF)
• Derivaciones de ecuaciones de emisión termoiónica de un laboratorio de pregrado Archivado el 5 de febrero de 2012 en Wayback Machine , csbsju.edu.