Термоэлектронная эмиссия

«Термион» перенаправляется сюда. Не следует путать с фермионом .

Крупный план нити накала ртутной низкого давления газоразрядной лампы : видно белое покрытие из термоэмиссионной смеси на центральной части катушки. состоит из смеси бария , стронция и кальция оксидов Обычно это покрытие . При нормальном использовании оно разбрызгивается , что в конечном итоге приводит к выходу лампы из строя.

Термоэлектронная эмиссия — это высвобождение заряженных частиц из горячего электрода которых , тепловая энергия дает некоторым частицам достаточную кинетическую энергию , чтобы покинуть поверхность материала. Частицы, которые в ранней литературе иногда назывались термоионами , теперь известны как ионы или электроны . Тепловая эмиссия электронов материала конкретно относится к эмиссии электронов и происходит, когда тепловая энергия превосходит работу выхода .

После эмиссии в излучающей области первоначально остается заряд, противоположный величине, равной величине испускаемого заряда. Но если эмиттер подключен к батарее , оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, подаваемым батареей при испускании частиц, поэтому эмиттер будет иметь тот же заряд, который был до выброса. Это облегчает дополнительное излучение для поддержания электрического тока . Томас Эдисон в 1880 году, изобретая свою лампочку , заметил этот ток, поэтому последующие ученые называли этот ток эффектом Эдисона , хотя только после открытия электрона в 1897 году ученые поняли, что электроны испускаются и почему.

Термоэлектронная эмиссия имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для выработки электроэнергии (например, термоэмиссионные преобразователи и электродинамические тросы ) или для охлаждения. Термоэлектронные вакуумные трубки испускают электроны из горячего катода в замкнутый вакуум и могут управлять этими испускаемыми электронами с помощью приложенного напряжения . Горячий катод может представлять собой металлическую нить, металлическую нить с покрытием или отдельную структуру из металла или карбидов или боридов металлов переходных . Эмиссия вакуума из металлов имеет тенденцию становиться значительной только при температурах выше 1000 К (730 ° C ; 1340 ° F ). Поток заряда резко увеличивается с температурой.

Термин «термоэлектронная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого термически возбужденного процесса эмиссии заряда, даже когда заряд излучается из одной твердого тела области в другую.

История

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 году, слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, проведенных до этой даты.

Впервые об этом явлении сообщил в 1853 году Эдмон Беккерель . Его снова наблюдал в 1873 году Фредерик Гатри в Великобритании. Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленная железная сфера с отрицательным зарядом теряет свой заряд (путем каким-то образом разрядив его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходит, если сфера имеет положительный заряд. Среди других первых авторов были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), Ойген Гольдштейн (1885), и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гейтель (1882–1889).

Эффект Эдисона

Термоэлектронная эмиссия снова наблюдалась Томасом Эдисоном в 1880 году, когда его команда пыталась выяснить причину поломки карбонизированных бамбуковых нитей. и нежелательное почернение внутренней поверхности лампочек в его лампах накаливания . Это почернение было вызвано углеродом, отложившимся на нити, и было самым темным вблизи положительного конца петли нити, что, по-видимому, отбрасывало легкую тень на стекло, как будто отрицательно заряженный углерод исходил из отрицательного конца и притягивался к ней, а иногда и поглощался ею. положительный конец петли нити. Этот выступающий углерод считался «переносящим электричество» и первоначально приписывался эффекту в трубках Крукса , когда отрицательно заряженные катодные лучи ионизированного газа перемещаются от отрицательного электрода к положительному. Чтобы попытаться перенаправить заряженные частицы углерода на отдельный электрод вместо стекла, Эдисон провел серию экспериментов (первый безрезультатный занесен в его записную книжку от 13 февраля 1880 года), например следующий успешный:

Эксперимент, демонстрирующий эффект Эдисона

Одна лампа с эффектом Эдисона состояла из вакуумной с внешней проводкой, лампы с электродом таким как металлическая пластина в этом примере (вместо этого использовалась платиновая фольга или дополнительная проволока), изолированным от углеродной нити (в этом примере в форме шпильки).

Эдисона Схема сконфигурировала его лампочку (большой круг) так, что ее электрод был включен последовательно с амперметром ( А) для измерения обычного тока и источником напряжения (отдельным от источника питания, нагревающего нить накала), чтобы смещать электрод либо положительно (в этом случае электроны притягивались и текли вдоль стрелок от нити накала через частичный вакуум к электроду) или отрицательно (что приводило к отсутствию измеримого тока). Теперь мы знаем, что в дополнение к молекулам углерода нить испускала электроны, которые имеют отрицательный заряд и поэтому притягиваются к положительно заряженному электроду, а не к отрицательно заряженному электроду.

Этот эффект имел множество применений. Эдисон обнаружил, что ток, излучаемый горячей нитью накала, быстро увеличивается с увеличением напряжения , и 15 ноября 1883 года подал патент на устройство регулирования напряжения, использующее этот эффект. в частности, первый патент США на электронное устройство. Он обнаружил, что через устройство будет проходить достаточный ток для работы телеграфного эхолота, который был выставлен на Международной электрической выставке 1884 года в Филадельфии. Посещающий британский ученый Уильям Прис получил от Эдисона несколько лампочек для исследования. В статье Приса о них 1885 года односторонний ток через частичный вакуум называется эффектом Эдисона: хотя этот термин иногда используется для обозначения самой термоэлектронной эмиссии. Британский физик Джон Амброуз Флеминг , работавший в Британской компании беспроводной телеграфии , обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн . Флеминг продолжил разработку двухэлементного термоэлектронного лампового диода, названного клапаном Флеминга (запатентован 16 ноября 1904 г.). Термоэмиссионные диоды также могут быть сконфигурированы для преобразования разницы тепла в электроэнергию напрямую, без движущихся частей, в виде устройства, называемого термоэмиссионным преобразователем , типа теплового двигателя .

Закон Ричардсона

После идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термионной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 году «за работу над термоэлектронным явлением и особенно за открытие закона, названного в его честь».

Согласно зонной теории твердого тела приходится один или два электрона , на каждый атом , которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Иногда это все вместе называют «морем электронов». Их скорости подчиняются статистическому распределению, а не являются равномерными, и иногда электрон имеет достаточную скорость, чтобы покинуть металл, не втягиваясь обратно. Минимальное количество энергии, необходимое электрону для того, чтобы покинуть поверхность, называется работой выхода . Работа выхода характерна для материала и для большинства металлов составляет порядка нескольких электронвольт (эВ). Термоэмиссионные токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Этой часто желаемой цели можно достичь, нанеся на проволоку различные оксидные покрытия.

В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: ток от нагретой проволоки, казалось, зависел экспоненциально от температуры провода с математической формой, похожей на модифицированное уравнение Аррениуса : $T^{1/2}\mathrm {e} ^{-b/T}$. Позже он предложил, чтобы закон эмиссии имел математическую форму

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

где J эмиссии — плотность тока , T — температура металла, W — работа выхода металла, k — постоянная Больцмана , а AG _. — параметр, который обсуждается далее

В период с 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах возросло, другие теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) предложили для AG Ричардсон _. Ричардсон, Сол Дашман , Ральф Х. Фаулер , Арнольд Зоммерфельд и Лотар Вольфганг Нордхайм . Спустя более 60 лет среди заинтересованных теоретиков до сих пор нет единого мнения относительно точного выражения AG _быть , но есть согласие, что должно _AG записано в виде:

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

где λ _R — поправочный коэффициент, зависящий от материала, который обычно имеет порядок 0,5, а A ₀ — универсальная константа, определяемая формулой

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

где $m$ и ${\text{-}}q_{e}$ - масса и заряд электрона соответственно, а $h$ — постоянная Планка .

Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто соглашение, что из-за волнообразной природы электронов некоторая часть вылетающих _{электронов} будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность эмиссионного тока будет уменьшена, и λ _R значение (1 -rav _{будет иметь} ). Так, иногда можно встретить уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде:

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

Однако современная теоретическая трактовка Модиноса предполагает, что зонную структуру необходимо также учитывать излучающего материала. Это введет второй поправочный коэффициент λ _B в λ _R , что даст $A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}$. Экспериментальные значения «обобщенного» коэффициента A _G обычно имеют порядок A ₀ , но существенно различаются между разными излучающими материалами и могут различаться между разными кристаллографическими гранями одного и того же материала. По крайней мере качественно, эти экспериментальные различия можно объяснить различиями в величине λ _R .

В литературе в этой области существует значительная путаница, поскольку: (1) многие источники не делают различия между A _G и A ₀ , а просто используют без разбора символ A (а иногда и название «константа Ричардсона»); (2) уравнения с поправочным коэффициентом, обозначенным здесь как λ _R, и без него , имеют одно и то же имя; и (3) для этих уравнений существуют различные названия, в том числе «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона-Душмана» и «уравнение Ричардсона-Лауэ-Душмана». В литературе элементарное уравнение иногда приводится в обстоятельствах, когда обобщенное уравнение было бы более уместным, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа типа «А» всегда должно быть явно определено с точки зрения более фундаментальных величин.

Из-за экспоненциальной функции ток быстро увеличивается с температурой, kT меньше W. когда (Практически для каждого материала плавление происходит задолго до того, как kT = W. )

Недавно закон термоэлектронной эмиссии был пересмотрен для 2D-материалов в различных моделях.

Эмиссия Шоттки

Основная статья: эффект Шоттки

Источник электронов с эмиттером Шоттки электронного микроскопа

В устройствах электронной эмиссии, особенно в электронных пушках , термоэлектронный эмиттер электронов будет смещен отрицательно по отношению к окружающей среде. Это создает электрическое поле величиной E на поверхности эмиттера. Без поля поверхностный барьер, видимый убегающим электроном с уровня Ферми, имеет высоту W, равную локальной работе выхода. Электрическое поле снижает поверхностный барьер на величину Δ W и увеличивает ток эмиссии. Это известно как эффект Шоттки (названный в честь Уолтера Х. Шоттки ) или усиленная полем термоэлектронная эмиссия. Его можно смоделировать простой модификацией уравнения Ричардсона, заменив W на ( W − Δ W ). Это дает уравнение

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

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

где ε ₀ — электрическая постоянная (ранее называемая также диэлектрической проницаемостью вакуума ).

Эмиссия электронов, которая происходит в режиме поля и температуры, к которому применяется это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки . Это уравнение относительно точное для напряженностей электрического поля ниже примерно 10 ⁸ V  m ⁻¹ . Для напряженности электрического поля выше 10 ⁸ V m ⁻¹ , так называемое туннелирование Фаулера-Нордхайма (FN) начинает вносить значительный вклад в ток эмиссии. В этом режиме комбинированные эффекты усиленной полем термоэлектронной эмиссии и автоэмиссии можно смоделировать с помощью уравнения Мерфи-Гуда для термополевой (ТФ) эмиссии. В еще более высоких полях туннелирование ФН становится доминирующим механизмом эмиссии электронов, и эмиттер работает в так называемом режиме «электронной эмиссии в холодном поле (CFE)» .

Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена за счет взаимодействия с другими формами возбуждения, такими как свет. Например, возбужденные пары цезия (Cs) в термоэмиссионных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества , что приводит к уменьшению эмиссионной работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя.

Фотонно-

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия (PETE) — это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета , который использует как свет, так и тепло Солнца для выработки электроэнергии и повышает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с нынешним уровнем. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает максимальной эффективности при температуре выше 200 °C, в то время как большинство кремниевых солнечных элементов становятся инертными после достижения температуры 100 °C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарельчатых коллекторах, температура которых достигает до 800 °C. команда использовала полупроводник из нитрида галлия Хотя в своем экспериментальном устройстве , она утверждает, что использование арсенида галлия может повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти в три раза выше, чем у существующих систем. и на 12–17 процентов больше, чем существующие 43-процентные многопереходные солнечные элементы.

См. также

• Космический заряд
• Термическая ионизация

Внешние ссылки

• Как на самом деле работают электронные лампы, с разделом, посвященным термоэлектронной эмиссии, с уравнениями , john-a-harper.com.
• Термоэмиссионные явления и законы, которые ими управляют , Нобелевская лекция Оуэна Ричардсона по термоэлектронике. nobelprize.org. 12 декабря 1929 г. (PDF)
• Вывод уравнений термоэлектронной эмиссии из студенческой лаборатории. Архивировано 5 февраля 2012 г. на Wayback Machine , csbsju.edu.