Термоэлектронная эмиссия

Крупный план нити в ртути низкой давления газоразрядной лампы показывая белого покрытие термоэлектронной эмиссии смеси на центральном участке катушки. Покрытие, которое обычно состоит из смеси оксидов бария , стронция и кальция , при нормальном использовании разбрызгивается , что часто в конечном итоге приводит к выходу лампы из строя.

Одна из лампочек, с которой Эдисон обнаружил термоэлектронную эмиссию. Он состоит из вакуумированной стеклянной лампочки с углеродной нитью (в форме шпильки) с дополнительной металлической пластиной, прикрепленной к проводам, выходящим из цоколя. Электроны, выпущенные нитью накала, притягивались к пластине, когда на ней было положительное напряжение.

Термоэлектронная эмиссия - это высвобождение электронов из электрода из-за его температуры (высвобождение энергии, получаемой за счет тепла ). Это происходит потому, что тепловая энергия, передаваемая носителю заряда, преодолевает работу выхода материала. Носителями заряда могут быть электроны или ионы , и в более ранней литературе их иногда называют термионами.. После излучения заряд, равный по величине и противоположный по знаку общему испускаемому заряду, первоначально остается в излучающей области. Но если эмиттер подключен к батарее, оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, подаваемым батареей, когда эмиттируемые носители заряда удаляются от эмиттера, и, наконец, эмиттер будет в том же состоянии, что и до эмиссии.

Классический пример термоэлектронной эмиссии - это электроны с горячего катода в вакуум (также известный как термоэлектронная эмиссия или эффект Эдисона ) в вакуумной лампе . Горячий катод может представлять собой металлическую нить накала, металлическую нить с покрытием или отдельную структуру из металла или карбидов или боридов переходных металлов. Эмиссия вакуума из металлов имеет тенденцию становиться значительной только при температурах выше 1000 К (730 ° C; 1340 ° F).

Термин «термоэлектронная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого процесса эмиссии заряда с тепловым возбуждением, даже когда заряд излучается из одной твердотельной области в другую. Этот процесс имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для производства электроэнергии (например, термоэлектронных преобразователей и электродинамических тросов ) или охлаждения. Величина потока заряда резко увеличивается с повышением температуры.

История [ править ]

Эффект Эдисона в диодной лампе. Диодная трубка подключается в двух конфигурациях; в одном есть поток электронов, а в другом - нет. Обратите внимание, что стрелки представляют собой электронный ток, а не обычный ток .

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

Об этом явлении впервые сообщил в 1853 году Эдмон Беккерель . ^{[1] [2]} Он был повторно открыт в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании. ^[3] Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленный железный шар с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом разряжая его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходило бы, если бы сфера имела положительный заряд. ^[4] Среди других ранних авторов были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), ^[5] Евгений Гольдштейн (1885), ^[6] и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гайтель (1882–1889). ^[7]

Эффект был вновь обнаружен Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, когда он пытался обнаружить причину обрыва нити лампы и неравномерного почернения (самое темное около положительного вывода нити) ламп накаливания .

Эдисон построил несколько экспериментальных лампочек с дополнительным проводом, металлической пластиной или фольгой внутри лампы, которая была отделена от нити накала и, таким образом, могла служить электродом. К выходу дополнительного металлического электрода он подключил гальванометр - устройство, используемое для измерения тока (расхода заряда). Если фольга была помещена под отрицательный потенциал относительно нити накала, не было измеряемого тока между нитью и фольгой. Когда фольга была поднята до положительного потенциала относительно нити, мог возникнуть значительный ток между нитью через вакуум к фольге, если нить была нагрета в достаточной степени (от собственного внешнего источника питания).

Теперь мы знаем, что нить накала испускала электроны, которые притягивались к положительно заряженной фольге, но не к отрицательно заряженной. Этот односторонний ток был назван эффектом Эдисона (хотя этот термин иногда используется для обозначения самой термоэлектронной эмиссии). Он обнаружил, что ток, излучаемый горячей нитью накала, быстро увеличивается с увеличением напряжения, и подал заявку на патент на устройство регулирования напряжения, использующее эффект 15 ноября 1883 г. (патент США 307031, ^[8] первый патент США на электронное устройство). устройство). Он обнаружил, что через устройство проходит достаточный ток для работы телеграфного эхолота. Это было выставлено на Международной электротехнической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Уильям ПрисБританский ученый взял с собой несколько лампочек с эффектом Эдисона. Он представил статью о них в 1885 году, в которой назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона». ^{[9] [10]} Британский физик Джон Амброуз Флеминг , работавший в британской компании «Беспроводная телеграфия», обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлементной вакуумной лампы, известной как диод , которую он запатентовал 16 ноября 1904 г. ^[11]

Термоэмиссионный диод также может быть сконфигурирован как устройство, которое преобразует тепловую разницу в электрическую энергию напрямую, без движущихся частей ( термоэлектронный преобразователь , тип теплового двигателя ).

Закон Ричардсона [ редактировать ]

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

Из зонной теории , есть один или два электрона в атоме в виде твердого вещества , которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Иногда это вместе называют «морем электронов». Их скорости следуют статистическому распределению, а не являются однородными, и иногда электрон будет иметь достаточную скорость, чтобы выйти из металла, не будучи втянутым 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 . Термоэмиссионные токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Этой часто желаемой цели можно достичь путем нанесения на проволоку различных оксидных покрытий.

В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: казалось, что ток нагретой проволоки экспоненциально зависит от температуры проволоки с математической формой, подобной уравнению Аррениуса . ^[12] Позже он предложил, чтобы закон излучения имел математическую форму ^[13]

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

где J - плотность тока эмиссии , T - температура металла, W - работа выхода металла, k - постоянная Больцмана , а A _G - параметр, обсуждаемый далее.

В период с 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах возросло, различные теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) были предложены для A _G Ричардсоном, Саулом Душманом , Ральфом Х. Фаулером , Арнольдом Зоммерфельдом и Лотар Вольфганг Нордхайм . Спустя более 60 лет среди заинтересованных теоретиков до сих пор нет единого мнения относительно точного выражения A _G , но есть согласие, что A _G должно быть записано в форме

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

где λ _R - поправочный коэффициент для конкретного материала, который обычно составляет порядка 0,5, а A ₀ - универсальная постоянная, определяемая по ^{формуле [13]}

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

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

Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто соглашение о том, что из-за волнообразной природы электронов некоторая часть r _av выходящих электронов будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность тока эмиссии будет уменьшена, и λ _R будет иметь значение (1- r _ср ). Таким образом, иногда можно встретить уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде

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

Однако современная теоретическая трактовка Модиноса предполагает, что необходимо также учитывать зонную структуру излучающего материала. Это внесло бы второй поправочный коэффициент λ _B в λ _R , давая . Экспериментальные значения для «обобщенного» коэффициента A _G обычно имеют порядок величины A ₀ , но существенно различаются между разными излучающими материалами и могут отличаться между разными кристаллографическими гранями одного и того же материала. По крайней мере , качественно, эти экспериментальные различия можно объяснить , как из - за различия в значении Л _R .${\ displaystyle A _ {\ mathrm {G}} = \ lambda _ {\ mathrm {B}} (1-r _ {\ mathrm {av}}) A_ {0}}$

В литературе в этой области существует значительная путаница, потому что: (1) многие источники не различают A _G и A ₀ , а просто без разбора используют символ A (а иногда и название «константа Ричардсона»); (2) уравнения с поправочным коэффициентом и без него, обозначенные здесь λ _Rоба имеют одно и то же имя; и (3) существует множество названий этих уравнений, включая «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 подходящим, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа «А-подобного» всегда следует явно определять в терминах задействованных более фундаментальных величин.

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

Эмиссия Шоттки [ править ]

Эта статья, похоже, противоречит статье об эффекте Шоттки . См. Обсуждение на связанной странице обсуждения . ( Март 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В устройствах электронной эмиссии, особенно в электронных пушках , термоэлектронный эмиттер электронов будет иметь отрицательное смещение относительно окружающей среды. Это создает электрическое поле величиной F на поверхности эмиттера. В отсутствие поля поверхностный барьер, видимый выходящим из уровня Ферми электроном, 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 термоэлектронная эмиссия с усилением поля. Его можно смоделировать простой модификацией уравнения Ричардсона, заменив W на ( W - Δ W ). Это дает уравнение ^{[14] [15]}

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

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

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

Электронная эмиссия, которая имеет место в полевом и температурном режиме, где применяется это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки . Это уравнение относительно точно для напряженности электрического поля ниже примерно 10 ⁸ В м ^-1 . Для напряженности электрического поля выше 10 ⁸ В м ^-1 , так называемое туннелирование Фаулера-Нордхейма (FN) начинает вносить значительный ток эмиссии. В этом режиме комбинированные эффекты усиленной полем термоэмиссии и автоэлектронной эмиссии можно моделировать уравнением Мерфи-Гуда для термополевой (TF) эмиссии. ^[16]В еще более высоких полях туннелирование FN становится доминирующим механизмом электронной эмиссии, и эмиттер работает в так называемом режиме «холодной полевой электронной эмиссии (CFE)» .

Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет. ^[17] Например, возбужденные пары Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества, что приводит к уменьшению работы выхода коллектора с 1,5 до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя. ^[18]

Термоэлектронная эмиссия, усиленная фотонами [ править ]

Термоэлектронная эмиссия, усиленная фотонами (ПЭТЭ) - это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета, который использует свет и тепло солнца для выработки электроэнергии и увеличивает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с нынешними уровнями. 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 100 ° C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарельчатых коллекторах, температура которых достигает 800 ° C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в своем экспериментальном устройстве, она утверждает, что использование арсенида галлияможет повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти в три раза больше, чем у существующих систем ^{[19] [20]} и на 12-17 процентов больше, чем у существующих 43-процентных многопереходных солнечных элементов. ^{[21] [22]}

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Как на самом деле работают электронные лампы, с разделом, посвященным термоэлектронной эмиссии, с уравнениями , john-a-harper.com.
• Нобелевская лекция Оуэна Ричардсона по термоэлектронике , nobel.se, 12 декабря 1929 г. (PDF)
• Вывод уравнений термоэлектронной эмиссии из студенческой лаборатории , csbsju.edu.