La emisión termoiónica es la liberación de partículas cargadas de un electrodo caliente cuya energía térmica les da a algunas partículas suficiente energía cinética para escapar de la superficie del material. Ahora se sabe que las partículas, a veces llamadas termiones en la literatura antigua, 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, inicialmente queda en la región emisora una carga opuesta de igual magnitud a la carga emitida. Pero si el emisor está conectado a una batería , esa carga restante es neutralizada por 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 sostener 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 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 puede usarse para generación de electricidad (como convertidores termoiónicos y ataduras electrodinámicas ) 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 ser significativa sólo para temperaturas superiores a 1000 K (730 °C ; 1340 °F ). El flujo de carga aumenta dramáticamente con la temperatura.
El término emisión termoiónica ahora también se utiliza para referirse a cualquier proceso de emisión de carga excitada térmicamente, incluso cuando la carga se emite de 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 usó cuando se discutieron 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 carga negativa perdería su carga (al descargarla de alguna manera en el aire). También descubrió que esto no sucedía si la esfera tenía carga positiva. [6] Otros colaboradores 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]
La emisión termoiónica fue observada nuevamente por Thomas Edison en 1880 mientras su equipo intentaba descubrir el motivo 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 carbón depositado por 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 carbón cargado negativamente emanara del extremo negativo y fuera atraído y a veces absorbido por el filamento. extremo positivo del bucle de filamento. Este carbono proyectado se consideró "transportador eléctrico" e inicialmente se atribuyó a un efecto en los tubos Crookes donde los rayos catódicos cargados negativamente del 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 hizo una serie de experimentos (uno de ellos 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 utilizaba este efecto el 15 de noviembre de 1883, [21] en particular 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 William Preece, visitante , recibió varias bombillas de Edison para investigar. El artículo de Preece de 1885 sobre ellos se refería a la corriente unidireccional a través del vacío parcial como efecto Edison, [22] [23] aunque ese término se utiliza 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 utilizarse para detectar ondas de radio . Fleming desarrolló 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 JJ 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 especialmente por el descubrimiento de la ley que lleva su nombre".
Según la teoría de bandas , hay uno o dos electrones por átomo en un sólido que tienen libertad para moverse de un átomo a otro. A veces se lo denomina 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 nuevamente. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón abandone una superficie se llama 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 tan deseado se puede lograr aplicando varias capas de óxido al alambre.
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 . [27] Posteriormente propuso que la ley de emisiones debería tener la forma matemática [28] [ verificación fallida ]
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, 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 sí hay acuerdo en que AG debe escribirse en la forma:
donde λ R es un factor de corrección específico del material que normalmente es del orden 0,5 y A 0 es una constante universal dada por [28]
donde y son la masa y la carga de un electrón, respectivamente, y es la constante de Planck .
De hecho, alrededor de 1930 hubo acuerdo en que, debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones, cierta proporción r av de los electrones salientes se reflejaría cuando alcanzaran 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 en la forma:
Sin embargo, un tratamiento teórico moderno por parte de Modinos supone que también se debe tener 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" AG son generalmente del orden de magnitud de A0 , 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 una confusión considerable 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 indicado por λ R reciben el mismo nombre; y (3) existe una variedad de nombres para estas ecuaciones, incluida "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 "tipo 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 se produce mucho antes de kT = W ).
La ley de emisión termoiónica ha sido revisada recientemente para materiales 2D en varios modelos. [29] [30] [31]
En los dispositivos de emisión de electrones, especialmente los cañones de electrones , el emisor termoiónico de electrones tendrá una polarización negativa en relación con su entorno. Esto crea un campo eléctrico de magnitud E en la superficie del emisor. Sin el campo, la barrera superficial vista por un electrón del nivel de Fermi que se escapa tiene una altura W igual a la función de trabajo local. El campo eléctrico reduce la barrera superficial en una cantidad Δ W y aumenta la corriente de emisión. Esto se conoce como efecto Schottky (llamado así por Walter H. Schottky ) o emisión termoiónica mejorada de campo. Puede modelarse mediante una simple modificación de la ecuación de Richardson, reemplazando W por ( W − Δ W ). Esto da la ecuación [32] [33]
donde ε 0 es la constante eléctrica (también, anteriormente, llamada permitividad del vacío ).
La emisión de electrones que tiene lugar en el régimen de campo y temperatura donde se aplica esta ecuación modificada a menudo se denomina emisión Schottky . Esta ecuación es relativamente precisa para intensidades de campo eléctrico inferiores a aproximadamente 10 8 V m −1 . Para intensidades de campo eléctrico superiores a 10 8 V m −1 , los llamados túneles de Fowler-Nordheim (FN) comienzan a contribuir con una corriente de emisión significativa. En este régimen, los efectos combinados de la emisión termoiónica y de campo mejorada pueden modelarse mediante la ecuación de Murphy-Good para la emisión de termocampo (TF). [34] En campos aún más altos, el túnel FN se convierte en el mecanismo de emisión de electrones dominante, y el emisor opera en el régimen llamado "emisión de electrones de campo frío (CFE)" .
La emisión termoiónica también puede mejorarse mediante la interacción con otras formas de excitación, como la luz. [35] Por ejemplo, los vapores de cesio (Cs) excitados en los convertidores termoiónicos forman grupos de materia Cs-Rydberg que producen una disminución de la función de trabajo emisor del colector de 1,5 eV a 1,0-0,7 eV. Debido a la naturaleza de larga vida de la materia Rydberg, esta función de bajo trabajo permanece baja, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura. [36]
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 en más del doble de los niveles actuales. El dispositivo desarrollado para el 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 entre un 55 y un 60 por ciento, casi el triple que los sistemas existentes, [37] [38] y Entre un 12 y un 17 por ciento más que el 43 por ciento de las células solares multiunión existentes. [39] [40]
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