Thermionische Emission ist der hitzeveranlasste Fluss von Anklage-Transportunternehmen von einer Oberfläche oder über eine Barriere der potenziellen Energie. Das kommt vor, weil die dem Transportunternehmen gegebene Thermalenergie das verbindliche Potenzial, auch bekannt als die Arbeitsfunktion des Metalls überwindet. Die Anklage-Transportunternehmen können Elektronen sein, oder Ionen, und in der älteren Literatur werden manchmal "thermions" genannt. Nach der Emission wird eine Anklage im Ausstrahlen-Gebiet am Anfang zurückgelassen, das im Umfang und gegenüber im Zeichen zur ausgestrahlten Gesamtanklage gleich ist. Aber wenn der Emitter mit einer Batterie verbunden wird, dann wird diese zurückgelassene Anklage durch die durch die Batterie gelieferte Anklage für neutral erklärt, als die ausgestrahlten Anklage-Transportunternehmen vom Emitter abrücken, und schließlich der Emitter in demselben Staat sein wird, wie es vor der Emission war. Die thermionische Emission von Elektronen ist auch bekannt als Thermalelektronemission.

Das klassische Beispiel der thermionischen Emission ist die Emission von Elektronen von einer heißen Kathode, in ein Vakuum (archaisch bekannt als die Wirkung von Edison) in einer Vakuumtube. Die heiße Kathode kann ein Metallglühfaden, ein gekleideter Metallglühfaden oder eine getrennte Struktur von Metall oder Karbiden oder borides von Übergang-Metallen sein. Die Vakuumemission von Metallen neigt dazu, bedeutend nur für Temperaturen mehr als 1000 K zu werden. Die Wissenschaft, die sich mit diesem Phänomen befasst, ist als thermionics bekannt gewesen, aber dieser Name scheint, in den Nichtgebrauch allmählich zu fallen.

Der Begriff "thermionische Emission" wird jetzt auch gebraucht, um sich auf jeden thermisch aufgeregten Anklage-Emissionsprozess zu beziehen, selbst wenn die Anklage von einem Halbleitergebiet in einen anderen ausgestrahlt wird. Dieser Prozess ist in der Operation einer Vielfalt von elektronischen Geräten entscheidend wichtig und kann für die Elektrizitätsgeneration (z.B, thermionischer Konverter, electrodynamic Haltestrick) oder das Abkühlen verwendet werden. Der Umfang des Anklage-Flusses nimmt drastisch mit der Erhöhung der Temperatur zu.

Geschichte

Weil das Elektron als eine getrennte physische Partikel nicht identifiziert wurde, bis die 1897-Arbeit von J. J. Thomson, das Wort "Elektron" nicht verwendet wurde, als man Experimente besprochen hat, die vor diesem Datum stattgefunden haben.

Das Phänomen wurde 1873 von Frederick Guthrie in Großbritannien am Anfang berichtet. Während er Arbeit an beladenen Gegenständen getan hat, hat Guthrie entdeckt, dass ein glühend heißer Eisenbereich mit einer positiven Anklage seine Anklage verlieren würde (indem er sie irgendwie in Luft entlädt). Er hat auch gefunden, dass das nicht geschehen ist, wenn der Bereich eine negative Anklage hatte. Andere frühe Mitwirkende haben Johann Wilhelm Hittorf (1869-1883), Eugen Goldstein (1885), und Julius Elster und Hans Friedrich Geitel (1882-1889) eingeschlossen.

Die Wirkung wurde von Thomas Edison am 13. Februar 1880 wieder entdeckt, während man versucht hat, den Grund für die Brechung von Lampe-Glühfäden und dem unebenen Schwärzen (am dunkelsten in der Nähe von einem Terminal des Glühfadens) von den Zwiebeln in seinen Glühlampen zu entdecken.

Edison hat mehrere Experiment-Zwiebeln, einige mit einer Extraleitung, einem Metallteller oder Folie innerhalb der Zwiebel gebaut, die vom Glühfaden elektrisch getrennt war, und so als eine Elektrode dienen konnte. Er hat ein Galvanometer verbunden, ein Gerät hat gepflegt, Strom zur Produktion der Extrametallelektrode zu messen. Als die Folie negativ hinsichtlich des Glühfadens beladen wurde, der kostenlos zwischen dem Glühfaden und der Folie überflutet ist. Wir wissen jetzt, dass das war, weil der Glühfaden Elektronen ausstrahlte, und so von der negativ beladenen Folie nicht angezogen wurde. Außerdem ist Anklage von der Folie bis den Glühfaden nicht geflossen, weil die Folie genug nicht geheizt wurde, um Anklage auszustrahlen (später hat thermionische Emission genannt). Jedoch, als die Folie eine positivere Anklage gegeben wurde als der Glühfaden, konnte negative Anklage (in der Form von Elektronen) vom Glühfaden bis das Vakuum zur Folie fließen. Dieser Einwegstrom wurde die Wirkung von Edison genannt (obwohl der Begriff gelegentlich gebraucht wird, um sich auf die thermionische Emission selbst zu beziehen). Er hat gefunden, dass der Strom, der durch den heißen Glühfaden ausgestrahlt ist, vergrößert schnell mit der zunehmenden Stromspannung, und eine offene Anwendung für ein Stromspannung regelndes Gerät mit der Wirkung am 15. November 1883 abgelegt hat (die Vereinigten Staaten patentieren 307,031, das erste US-Patent für ein elektronisches Gerät). Er hat gefunden, dass genügend Strom das Gerät durchführen würde, um einen Telegraf-Klopfer zu bedienen. Das wurde auf der Internationalen Elektrischen Ausstellung in Philadelphia im September 1884 ausgestellt. William Preece, ein britischer Wissenschaftler hat mit ihm mehrere der Zwiebeln von Edison Effect zurückgenommen, und hat einen Vortrag auf ihnen 1885 gehalten, wo er thermionische Emission als der "Edison Effect gekennzeichnet hat." Der britische Physiker John Ambrose Fleming, für die britische "Radiotelegrafie" Gesellschaft arbeitend, hat entdeckt, dass der Edison Effect verwendet werden konnte, um Funkwellen zu entdecken. Fleming hat fortgesetzt, die Zwei-Elemente-Vakuumtube zu entwickeln, die als die Diode bekannt ist, die er am 16. November 1904 patentiert hat.

Die thermionische Diode kann auch als ein Gerät konfiguriert werden, das einen Hitzeunterschied zur elektrischen Macht direkt ohne bewegende Teile (ein thermionischer Konverter, ein Typ des Hitzemotors) umwandelt.

Die Identifizierung von folgendem J. J. Thomson des Elektrons, der britische Physiker Owen Willans Richardson hat Arbeit am Thema begonnen, dass er später "thermionische Emission" genannt hat. Er hat einen Nobelpreis in der Physik 1928 "für seine Arbeit am thermionischen Phänomen und besonders für die Entdeckung des nach ihm genannten Gesetzes" erhalten.

Das Gesetz von Richardson

In jedem festen Metall gibt es ein oder zwei Elektronen pro Atom, die vom Atom bis Atom bewegungsfrei sind. Das wird manchmal insgesamt ein "Meer von Elektronen" genannt. Ihre Geschwindigkeiten folgen einem statistischen Vertrieb, anstatt gleichförmig zu sein, und gelegentlich wird ein Elektron genug Geschwindigkeit haben, um über das Metall zu herrschen, ohne darin zurückgezogen zu werden. Der minimale Betrag der für ein Elektron erforderlichen Energie, um eine Oberfläche zu verlassen, wird die Arbeitsfunktion genannt. Die Arbeitsfunktion ist für das Material charakteristisch, und für die meisten Metalle ist auf der Ordnung von mehreren electronvolts. Thermionische Ströme können durch das Verringern der Arbeitsfunktion vergrößert werden. Dieses häufig gewünschte Ziel kann durch die Verwendung verschiedener Oxydüberzüge auf die Leitung erreicht werden.

1901 hat Richardson die Ergebnisse seiner Experimente veröffentlicht: Der Strom von einer erhitzten Leitung ist geschienen, exponential von der Temperatur der Leitung mit einer mathematischen der Gleichung von Arrhenius ähnlichen Form abzuhängen. Später hat er vorgeschlagen, dass das Emissionsgesetz die mathematische Form haben sollte

wo J die Emissionsstrom-Dichte ist, ist T die Temperatur des Metalls, W ist die Arbeitsfunktion des Metalls, k ist der Boltzmann unveränderlich, und A ist ein Parameter besprochen als nächstes.

Die Einnahme des Logarithmus von beiden Seiten

So ist die Gleichung, die Beziehung zwischen aktuellen Dichten bei zwei Temperaturen zeigend

In der Periode wurde 1911 bis 1930, weil das physische Verstehen des Verhaltens von Elektronen in Metallen, verschiedene verschiedene theoretische Ausdrücke zugenommen hat (gestützt auf verschiedenen physischen Annahmen) vorwärts für A, von Richardson, Saul Dushman, Ralph H. Fowler, Arnold Sommerfeld und Lothar Wolfgang Nordheim gestellt. Mehr als 60 Jahre später gibt es noch keine Einigkeit unter interessierten Theoretikern betreffs, wie die genaue Form des Ausdrucks für A sein sollte, aber es gibt Abmachung, dass A in der Form geschrieben werden muss

wo λ ein materiell-spezifischer Korrektur-Faktor ist, der normalerweise des Auftrags 0.5 ist, und A eine universale durch gegebene Konstante ist

wo M und −e die Masse und Anklage eines Elektrons ist, und h die Konstante von Planck ist.

Tatsächlich ungefähr vor 1930 gab es Abmachung, dass, wegen der Welle ähnlichen Natur von Elektronen, ein Verhältnis r der aus dem Amt scheiden Elektronen widerspiegelt würde, als sie die Emitter-Oberfläche erreicht haben, so würde die Emissionsstrom-Dichte reduziert, und λ den Wert (1-r) haben würde. So sieht man manchmal die thermionische Emissionsgleichung, die in der Form geschrieben ist

:.

Jedoch nimmt eine moderne theoretische Behandlung durch Modinos an, dass die Band-Struktur des Ausstrahlen-Materials auch in Betracht gezogen werden muss. Das würde einen zweiten Korrektur-Faktor λ in λ einführen, gebend. Experimentelle Werte für den "verallgemeinerten" Koeffizienten A sind allgemein der Größenordnung von A, aber unterscheiden sich wirklich bedeutsam als zwischen verschiedenen Ausstrahlen-Materialien, und können sich als zwischen verschiedenen crystallographic Gesichtern desselben Materials unterscheiden. Mindestens qualitativ können diese experimentellen Unterschiede als wegen Unterschiede im Wert von λ erklärt werden.

Beträchtliche Verwirrung besteht in der Literatur dieses Gebiets weil: (1) unterscheiden viele Quellen zwischen A und A nicht, aber verwenden gerade das Symbol (und manchmal der Name "Richardson unveränderlich") unterschiedslos; (2) werden Gleichungen mit und ohne den durch λ hier angezeigten Korrektur-Faktor beide denselben Namen gegeben; und (3) eine Vielfalt von Namen bestehen für diese Gleichungen, einschließlich der "Gleichung von Richardson", "die Gleichung von Dushman", "Gleichung von Richardson-Dushman" und "Gleichung von Richard-Laue-Dushman". In der Literatur wird die elementare Gleichung manchmal in Verhältnissen gegeben, wo die verallgemeinerte Gleichung passender sein würde, und das an sich Verwirrung verursachen kann. Um Missverständnisse zu vermeiden, sollte die Bedeutung jedes "A ähnlichen" Symbols immer in Bezug auf die grundsätzlicheren beteiligten Mengen ausführlich definiert werden.

Wegen der Exponentialfunktion nimmt der Strom schnell mit der Temperatur zu, wenn kT weniger ist als W. (Für im Wesentlichen jedes Material, kommt das Schmelzen kurz vorher kT = W. vor)

Emission von Schottky

In Elektronemissionsgeräten, besonders Elektronpistolen, wird der thermionische Elektronemitter negativ hinsichtlich seiner Umgebungen beeinflusst. Das schafft ein elektrisches Feld des Umfangs F an der Emitter-Oberfläche. Ohne das Feld hat die durch ein flüchtendes Fermi-Niveau-Elektron gesehene Oberflächenbarriere Höhe W gleich der lokalen Arbeitsfunktion. Das elektrische Feld senkt die Oberflächenbarriere durch einen Betrag ΔW, und vergrößert den Emissionsstrom. Das ist als die Wirkung von Schottky bekannt, oder Feld hat thermionische Emission erhöht. Es kann durch eine einfache Modifizierung der Gleichung von Richardson, durch das Ersetzen W durch (W  ΔW) modelliert werden. Das gibt die Gleichung

wo ε die elektrische Konstante ist (hat auch früher das Vakuum permittivity genannt).

Elektronemission, die im Feld- und Temperaturregime stattfindet, wo diese modifizierte Gleichung gilt, wird häufig Emission von Schottky genannt. Diese Gleichung ist für elektrische Feldkräfte tiefer relativ genau als ungefähr 10 V M. Für elektrische Feldkräfte höher als 10 V M beginnt so genannter Fowler-Nordheim (FN) tunneling, bedeutenden Emissionsstrom beizutragen. In diesem Regime können die vereinigten Effekten der felderhöhten thermionischen und Feldemission durch die Murphy-gute Gleichung für das Thermofeld (T-F) Emission modelliert werden. An noch höheren Feldern FN wird tunneling der dominierende Elektronemissionsmechanismus, und der Emitter operiert in der so genannten "kalten Feldelektronemission (CFE)" Regime.

Thermionische Emission kann auch durch die Wechselwirkung mit anderen Formen der Erregung wie Licht erhöht werden. Zum Beispiel bilden aufgeregte Cs-Dämpfe in thermionischen Konvertern Trauben der Cs-Rydberg Sache, die eine Abnahme des Sammlers nachgeben, der Arbeitsfunktion von 1.5 eV bis 1.0-0.7 eV ausstrahlt. Wegen der langlebigen Natur von Rydberg sind von Bedeutung, dass diese niedrige Arbeitsfunktion niedrig bleibt, der im Wesentlichen die Konverter-Leistungsfähigkeit der niedrigen Temperatur vergrößert.

Foton-erhöhte thermionische Emission

Foton-erhöhte thermionische Emission (PETE), ein Prozess, der von Ingenieuren an der Universität von Stanford entwickelt ist, die sowohl das Licht als auch die Hitze der Sonne anspannt, um Elektrizität zu erzeugen, und die Leistungsfähigkeit der Sonnenenergieerzeugung durch mehr vergrößert als zweimal die aktuellen Niveaus. Das für den Prozess entwickelte Gerät erreicht Maximalleistungsfähigkeit, nachdem es 200°C reicht; die meisten Silikonsonnenzellen werden träge nach dem Erreichen 100°C. Solches Gerät wird am besten in parabolischen Trog-Sammlern arbeiten, die Temperaturen ringsherum 800°C erreichen. Obwohl die Mannschaft einen Gallium-Nitrid-Halbleiter in seinem "Beweis des Konzepts" Gerät verwendet hat, behauptet es, dass der Gebrauch von Gallium arsenide die Leistungsfähigkeit des Geräts zu 55-60 Prozent vergrößern, fast den von vorhandenen Systemen verdreifachen kann, der nur um 12-17 Prozent mehr ist als vorhandener 43-Prozent-Mehrverbindungspunkt Sonnenzellen.

Siehe auch

• Kathode
• Heiße Kathode
• Kalte Kathode
• Raumanklage
• Thermionischer Konverter
• Thermoelektrische Wirkung
• Vakuumtube
• Arbeitsfunktion
• Röntgenstrahl-Tube

Links

• Wie Vakuumtuben wirklich mit einer Abteilung an der thermionischen Emission, mit Gleichungen, john-harper.com arbeiten.
• Nobel von Owen Richardson liest über thermionics, nobel.se am 12. Dezember 1929. (PDF)
• Abstammungen von thermionischen Emissionsgleichungen von einem Studentenlaboratorium, csbsju.edu.