emisión termoiónica

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

Tras la emisión, inicialmente queda en la región emisora ​​una carga opuesta de igual magnitud que la carga emitida. Sin embargo, 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 recuperará la misma carga que tenía antes de la emisión. Esto facilita la emisión adicional para mantener una corriente eléctrica . Thomas Edison observó esta corriente en 1880 mientras inventaba su bombilla , y los científicos posteriores se refirieron a ella como el efecto Edison , aunque no fue hasta después del descubrimiento del electrón en 1897 que los científicos comprendieron que los electrones se emitían y por qué.

La emisión termoiónica es crucial para el funcionamiento de diversos dispositivos electrónicos y puede utilizarse para la generación de electricidad (como en convertidores termoiónicos y cables electrodinámicos ) o para la refrigeración. Los tubos de vacío termoiónicos emiten electrones desde un cátodo caliente hacia un vacío confinado y pueden dirigir dichos electrones mediante la aplicación de voltaje . El cátodo caliente puede ser un filamento metálico, un filamento metálico recubierto o una estructura separada de metal, carburos o boruros de metales de transición . La emisión de vacío de los metales tiende a ser significativa solo a temperaturas superiores a 1000 K (730 °C ; 1340 °F ) . El flujo de carga aumenta drásticamente con la temperatura.   

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

Dado que el electrón no fue identificado como una partícula física independiente hasta el trabajo de J.J. Thomson en 1897, la palabra electrón no se utilizaba al hablar de los experimentos que tuvieron lugar antes de esa 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 con objetos cargados, Guthrie descubrió que una esfera de hierro al rojo vivo con carga negativa perdería su carga (descargándola de alguna manera en el aire). También descubrió que esto no sucedía si la esfera tenía carga positiva. ^{[ 6 ]} Otros contribuyentes iniciales fueron 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 ]}

Efecto Edison

La emisión termoiónica fue observada nuevamente por Thomas Edison en 1880 mientras su equipo intentaba descubrir la razón de la rotura de filamentos de bambú carbonizados ^{[ 19 ]} y el ennegrecimiento indeseado de la superficie interior de las bombillas en 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 este. Este carbono proyectado se consideró "conductor 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 (uno de ellos, no concluyente, se encuentra en su cuaderno del 13 de febrero de 1880), como el siguiente, que resultó exitoso: ^{[ 20 ]}

Experimento que demuestra el efecto Edison.

Una bombilla de efecto Edison consistía en una bombilla al vacío con un electrodo cableado externamente, como una placa de metal en este ejemplo (existían variantes que utilizaban lámina de platino o cable adicional en su lugar), aislado del filamento de carbono (con forma de horquilla en este ejemplo).

El circuito de Edison configuró su bombilla (círculo grande) de tal manera que su electrodo estuviera en serie con un amperímetro (A) para medir la corriente convencional y una fuente de voltaje (separada de la fuente de alimentación que calentaba el filamento) para polarizar el electrodo positivamente (en cuyo caso los electrones eran atraídos y fluían a lo largo de las flechas desde el filamento a través del vacío parcial hasta el electrodo) o negativamente (lo que resultaba en una corriente nula). Ahora sabemos que, además de moléculas de carbono, el filamento emitía electrones, que tienen carga negativa y, por lo tanto, son atraídos por un electrodo cargado positivamente, pero no por uno cargado negativamente.

Este efecto tuvo muchas aplicaciones. Edison descubrió que la corriente emitida por el filamento caliente aumentaba rápidamente con el voltaje y solicitó una patente para un dispositivo regulador de voltaje que utilizaba este 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 un zumbador de telégrafo , que se exhibió en la Exposición Eléctrica Internacional de 1884 en Filadelfia. El científico británico visitante William Preece recibió varias bombillas de Edison para investigarlas. 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 desarrolló un diodo de tubo de vacío termoiónico de dos elementos llamado válvula Fleming (patentada el 16 de noviembre de 1904). ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Los diodos termoiónicos también pueden configurarse para convertir una diferencia de calor en energía eléctrica directamente sin partes móviles como un dispositivo llamado convertidor termoiónico , un tipo de máquina térmica .

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 denominaría "emisión termoiónica". Recibió el Premio Nobel de Física en 1928 "por su trabajo sobre el fenómeno termoiónico y, especialmente, 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 suele llamar "mar de electrones". Sus velocidades siguen una distribución estadística, en lugar de ser uniformes, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad suficiente para salir del metal sin ser atraído de nuevo. 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 pueden incrementarse disminuyendo la función de trabajo. Este objetivo, a menudo deseado, puede lograrse aplicando diversos recubrimientos de óxido al cable.

En 1901, Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente de un alambre calentado parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre con una forma matemática similar a la ecuación de Arrhenius modificada .${\displaystyle T^{1/2}\mathrm {e} ^{-b/T}}$. ^{[ 27 ]} Posteriormente, propuso que la ley de emisión debería tener la forma matemática ^{[ 28 ]}

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

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 comprendido entre 1911 y 1930, a medida que aumentaba la comprensión física del comportamiento de los electrones en los metales, Richardson, Saul Dushman , Ralph H. Fowler , Arnold Sommerfeld y Lothar Wolfgang Nordheim propusieron diversas expresiones teóricas (basadas en diferentes supuestos físicos) para A _G. Más de 60 años después, todavía no existe consenso entre los teóricos interesados ​​sobre la expresión exacta de A _G , pero sí hay acuerdo en que A _G debe escribirse de la siguiente forma:

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

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

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

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

De hecho, hacia 1930 se llegó 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 . Así, a veces se ve la ecuación de emisión termoiónica escrita de 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 como resultado${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\lambda _ {\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}}$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 .

Existe considerable confusión en la literatura sobre este tema debido a que: (1) muchas fuentes no distinguen entre A _G y A ₀ , sino que utilizan indistintamente el símbolo A (y a veces el nombre "constante de Richardson"); (2) las ecuaciones con y sin el factor de corrección aquí denotado por λ _R reciben el mismo nombre; y (3) existen diversos nombres para estas ecuaciones, como "ecuación de Richardson", "ecuación de Dushman", "ecuación de Richardson-Dushman" y "ecuación de Richardson-Laue-Dushman". En la literatura, a veces se presenta la ecuación elemental en circunstancias donde la ecuación generalizada sería más apropiada, lo que en sí mismo puede generar confusión. Para evitar malentendidos, el significado de cualquier símbolo similar a A siempre debe definirse explícitamente en términos de las cantidades fundamentales involucradas.

Debido a la función exponencial, la corriente aumenta rápidamente con la temperatura cuando kT es menor que W. (Para prácticamente cualquier material, la fusión ocurre mucho antes de que kT = W ) .

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

En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente en los cañones de electrones , el emisor termoiónico de electrones estará polarizado negativamente con respecto a su entorno. Esto crea un campo eléctrico de magnitud E en la superficie del emisor. Sin el campo, la barrera superficial que ve un electrón que escapa del nivel de Fermi tiene una altura W igual a la función de trabajo local. El campo eléctrico reduce la barrera superficial en una cantidad ΔW 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. Se puede modelar mediante una simple modificación de la ecuación de Richardson, reemplazando W por ( W  −  ΔW ). Esto da la ecuación ^{[ 33 ] [ 34 ]} .

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

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

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 denomina a menudo 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 aA 10 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 pueden modelarse mediante la ecuación de Murphy-Good para la emisión termo-de campo (TF). ^{[ 35 ]} A 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 puede mejorarse mediante la interacción con otras formas de excitación, como la luz. ^{[ 36 ]} Por ejemplo, los vapores de cesio (Cs) excitados en convertidores termoiónicos forman cúmulos de materia de Cs-Rydberg que producen una disminución de la función de trabajo emisora ​​del colector de 1,5  eV a 1,0–0,7  eV. Debido a la naturaleza de larga vida 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 mejorada por fotones (PETE) 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 a más del doble de los niveles actuales. El dispositivo desarrollado para este proceso alcanza su máxima eficiencia 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 parabólicos , 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 que la de los sistemas existentes, ^{[ 38 ] [ 39 ]} y entre un 12 y un 17 por ciento más que las células solares multijunción existentes del 43 por ciento. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

• cargo por espacio
• ionización térmica
• Efecto Nottingham

• Cómo funcionan realmente los tubos de vacío, con una sección sobre emisión termoiónica y ecuaciones , john-a-harper.com.
• Fenómenos termoiónicos y las leyes que los rigen , discurso de aceptación del Premio 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.