Termioninen emissio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 20. tammikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

Termioninen emissio ( Richardson -ilmiö , Edison-ilmiö ) on elektronien säteilyä kiinteästä aineesta, metallista ja puolijohteista vapaaseen tilaan (yleensä tyhjiöön tai jalostettuun kaasuun), kun se kuumennetaan korkeaan lämpötilaan. Päästöt havaitaan 900 K :stä alkaen.

Löytöhistoria

Edmond Becquerel raportoi tästä ilmiöstä ensimmäisen kerran vuonna 1853 [1] [2] .

Ilmiön löysi uudelleen vuonna 1873 Frederick Guthrie Isossa-Britanniassa [3] : työskennellessään varautuneiden kappaleiden kanssa Guthrie havaitsi, että punakuumentunut rautapallo menettää varauksensa, jos se on negatiivisesti varautunut, mutta positiivisesti varautunut pallo ei. menettää lataus [4] .

Termionista emissiota tutkivat myös Johann Gittorf (1869-1883) [5] , Eugen Goldstein (1885) [6] , Julius Elster ja Hans Geitel (1882-1889) [7] .

Thomas Edison löysi vaikutuksen uudelleen 13. helmikuuta 1880. Kokeissaan Edison yritti selvittää, miksi luomassaan hehkulampussa filamentit paloivat ennenaikaisesti ja miksi polttimon sisäpuolelle muodostui tumma pinnoite lähellä hehkulangan positiivista elektrodia . Edison teki kokeita useilla kokeellisilla evakuoiduilla hehkulampuilla, joissa polttimon sisällä oli ylimääräinen metallilevy tai kalvopala, joka itse on sähköisesti eristetty hehkulangasta ja jossa on ylimääräinen sähköpistoke polttimon lasin läpi. Näissä kokeissa Edison havaitsi, että jos tällä levyllä oli positiivinen potentiaali suhteessa hehkulankaan, silloin havaittava virta kulki tyhjiön läpi, ja jos levyn potentiaali oli negatiivinen suhteessa hehkulankaan, virtaa ei ole, ja virtaa havaittiin vain, jos hehkulanka oli tarpeeksi lämmin.

Tulevaisuudessa tämä ilmiö selittyy elektronien emissiolla, jotka ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia, kuumennettuja kappaleita. Kuvattua aikaan elektronia ei kuitenkaan ollut vielä löydetty: Joseph Thomson löysi sen vasta vuonna 1897.

Edison havaitsi myös, että kuumennetusta filamentista tuleva virta kasvoi nopeasti hehkulangan jännitteen kasvaessa, ja haki patenttia 15. marraskuuta 1883 laitteelle, joka säätelee jännitettä efektin avulla (US-patentti 307 031). Tätä Yhdysvaltain patenttia elektroniselle laitteelle pidetään ensimmäisenä [8] .

Edison esitteli useita kopioita hehkulampuista ja esitteli niiden vaikutuksen kansainvälisessä sähkönäyttelyssä Philadelphiassa syyskuussa 1884. Näyttelyssä vieraileva brittitieteilijä William Preece otti useita näistä lampuista mukanaan tutkimaan ilmiötä. Tutkittuaan niitä hän laati vuonna 1885 raportin, jossa hän kutsui termionisäteilyä "Edison-ilmiöksi" [9] [10] .

Sitten brittiläinen fyysikko John Ambrose Fleming , joka työskentelee brittiläisessä Wireless Telegraphy -yrityksessä , havaitsi, että Edison-ilmiötä voidaan käyttää radioaaltojen havaitsemiseen . Fleming jatkoi kahden elektrodin tyhjiöputken kehittämistä, joka tunnetaan nykyään tyhjiödiodina, jolle hän sai patentin 16. marraskuuta 1904 [11] .

Ilmiön fysiikka

Jotta elektroni voisi poistua metallista ulkoavaruuteen, sille on annettava energiaa, jota kutsutaan elektronin työfunktioksi , potentiaaliesteen voittamiseksi .

Metallien vapaiden elektronien pitoisuus on melko korkea, joten jopa keskilämpötilassa elektronien nopeuksien (energian suhteen) jakautumisen vuoksi joillakin niistä on tarpeeksi energiaa voittaakseen potentiaaliesteen metallin rajalla. . Huoneenlämpötilassa tällaisten elektronien osuus on hyvin pieni, eikä termistä emissiovirtaa havaita. Lämpötilan noustessa lämpöliikkeen kineettinen energia kasvaa nopeasti, ja terminen emissio tulee havaittavaksi.

Termionisen emission lakien tutkimusta voidaan tarkkailla käyttämällä yksinkertaisinta kaksielektrodista lamppua - tyhjiodiodia , joka on sylinteri, josta kaasua pumpataan ulos ja jonka sisään on sijoitettu kaksi elektrodia: katodi ja anodi . Yksinkertaisimmassa tapauksessa katodina voi toimia tulenkestävästä metallista (esimerkiksi volframista ) valmistettu lanka, joka on lämmitetty sähkövirralla. Anodi valmistetaan useimmiten katodia ympäröivän onton metallisylinterin muodossa. Jos anodin ja katodin väliin syötetään jännite, niin kuumakatodilla ja kun anodiin kohdistetaan positiivinen jännite suhteessa katodiin, virta alkaa virrata anodin ja katodin välisen raon läpi. Jos anodiin kohdistetaan negatiivinen jännite suhteessa katodiin, virta pysähtyy riippumatta siitä, kuinka paljon katodi kuumenee. Tästä kokemuksesta seuraa, että kuumennettu katodi lähettää negatiivisia hiukkasia - elektroneja.

Jos lämmitetyn katodin lämpötila pidetään vakiona ja anodin virran riippuvuus anodin jännitteestä piirretään - tyhjiodiodin virta-jännite-ominaisuus , niin käy ilmi, että se on epälineaarinen, eli Ohmin laki ei täyty alipainediodille.

Termionisen virran riippuvuus anodijännitteestä pienten positiivisten arvojen alueella kuvataan kolmen sekunnin tehon lailla (venäläisen fyysikon S. A. Boguslavskyn ja amerikkalaisen fyysikon I. Langmuirin asettama ):

I=BU^{3/2}

, missä on kerroin ( perveance ), riippuen elektrodien muodosta ja koosta sekä niiden suhteellisesta sijainnista.

B

Anodin jännitteen kasvaessa virran voimakkuus kasvaa tiettyyn maksimiarvoon, jossa virtaa kutsutaan kyllästysvirraksi , ja sitten se ei kasva anodin jännitteen myöhemmällä nousulla. Tässä tapauksessa anodi absorboi melkein kaikki katodista poistuvat elektronit, joten kentänvoimakkuuden lisäntyminen anodin ja katodin välillä ei voi johtaa virran kasvuun. Siksi kyllästysvirran tiheys luonnehtii katodimateriaalin emissiokykyä.

Termioniodia voidaan käyttää myös muuttamaan lämpötilaerot sähköksi suoraan ilman liikkuvia osia - tällainen on lämpömoottorin tyyppinen lämpömuunnin .

Richardsonin kaava kyllästymisvirrantiheydelle

Kaavaa, jonka Richards alun perin johti metallien klassisen elektroniikkateorian perusteella ja jota amerikkalainen tiedemies S. Dashman sitten jalosti kvanttiteorian avulla , kutsutaan Richardson-Deshman-yhtälöksi.

Kyllästysvirran tiheys määritetään Richardson-Deshmanin kaavalla, joka on johdettu teoreettisesti kvanttitilastojen perusteella [12] :

{\displaystyle j=(1-\langle R\rangle )A_{0}\cdot T^{2}\cdot e^{-e\varphi /kT))

, missä:

$\langle R\rangle$ on elektronien hylkäyskerroin potentiaaliesteestä tai pikemminkin termionisten elektronien spektrin keskiarvo;
${\näyttötyyli A_{0))$ on lämpösähköinen vakio, joka on yhtä suuri kuin a A. Sommerfeldin vapaiden elektronien mallissa — $120{,}4\ {\cfrac {\operaattorin nimi {A} }{\operaattorin nimi {K} ^{2}\operaattorin nimi {cm} ^{2))},$ $A_{0}={4\pi mk^{2}e \over h^{3}}=1,20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\cdot m^{-2 }K ^{-2}} ;$
$\varphi$ on katodin elektronien työfunktio (potentiaali) ;
$k$ - Boltzmannin vakio ;
$e$ u ovat elektronin varaus ja massa; $m$
$h$ - Planckin vakio ;
$T$ on absoluuttinen lämpötila .

Käytännön soveltamista varten tämä kaava kirjoitetaan myös muodossa [13] :

{\displaystyle j=a\cdot T^{2}\cdot e^{-b/kT))

, missä ovat parametrit, jotka ovat vakioita tietylle katodimateriaalille ja jotka on määritetty kokemuksesta.

a, \ b

Työtoiminnon lasku johtaa kyllästysvirran tiheyden nopeaan kasvuun. Tyypillisesti käytetään katodeja, jotka kestävät korkeita lämpötiloja ja joilla on korkea emissiokyky: yleensä volframi, torioitu volframi ja lantaaniheksaboridi ( ). Käytetään myös oksidikatodeja (esimerkiksi ohuella maa- alkalimetallioksidikerroksella päällystettyä volframia ) , joiden käyttölämpötila on alempi kuin edellä luetellut. ${\ce {LaB_6}}$

Schottky-ilmiö termisessä emissiossa

Kun käytetään ulkoista sähköstaattista kenttää , jonka voimalinjat on suunnattu emitteriin (katodiin) - eli tällä elektrodilla on negatiivinen potentiaali suhteessa anodiin - havaitaan katodista tulevien elektronien työfunktion lasku. . Tätä ilmiötä kutsutaan Schottky-ilmiöksi, joka on nimetty sitä tutkineen Walter Schottkyn mukaan. Vaikutuksen likimääräinen selitys on esitetty kuvassa. Ulkoinen sähkökenttä alentaa työtoimintoa . Metallin elektronien energia on yhtä suuri kuin Fermi-tason energia ja äärettömällä etäisyydellä pinnasta olevilla elektroneilla on energia . Näiden energioiden välinen ero on työfunktio . Katodin ja ulkoisen kentän vetovoimien summalla on paikallinen maksimi etäisyydellä katodista, ja tämän maksimin energia on pienempi kuin lähtöenergia, mikä lisää lämpöemissiota. Schottky-ilmiön ja termionisen emission yhteisvaikutuksen seurauksena syntyvää elektronien emissiota kutsutaan usein "Schottky-emissioksi". Termionisen emission virrantiheyden kaava, kun otetaan huomioon Schottky-ilmiö, voidaan saada muuttamalla Richardsonin kaavaa yksinkertaisella tavalla korvaamalla siihen energiaa [14] [15] : $E_{U}$ $\Delta W$ $E_F$ ${\displaystyle E_{\infty ))$ $E_e$ $x_{m}$ $\varphi$ $\varphi -\Delta W$

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

Schottky-ilmiöstä johtuvan työfunktion vähennyksen arvo saadaan kaavasta: $\Delta W$

\Delta W={\sqrt {q^{3}E \over 4\pi \varepsilon _{0}}},

missä:

$q$ — perusvaraus;
$E$ on sähkökentän voimakkuus;
$\varepsilon_{0}$ on tyhjiön dielektrisyysvakio .

Tämä kaava sopii hyvin käytännön mittauksiin sähkökenttävoimakkuuksilla noin 10 8 V/m asti . Yli 10 8 V/m sähkökentän voimakkuudella elektronien tunnelointi potentiaaliesteen läpi, niin sanottu Fowler-Nordheim- tunnelointi, tulee merkittäväksi ja tunnelointivirta alkaa vaikuttaa merkittävästi kokonaisemissiovirtaan. Tässä tilassa termionisen ja tunnelointiemission vaikutukset, joita kenttä tehostaa, voidaan kuvata Murphy-Gooden yhtälöllä [16] . Vielä vahvemmilla kentillä Fowler-Nordheim-tunneluksesta tulee hallitseva elektronien emissiomekanismi, ja katodi toimii niin kutsutussa "kylmäelektroniemissio"- tai "kenttäemissio"-tilassa.

Termionista emissiota voidaan tehostaa myös muilla katodin pinnan viritysmuodoilla, esimerkiksi säteilyttämällä valolla [17] . Termionimuuntimien höyryissä olevat viritetyt cesiumatomit muodostavat siis Cs - Rydberg -aktiivisia keskuksia , jotka johtavat työfunktion laskuun 1,5 eV :stä 1,0-0,7 eV :iin . Näillä keskuksilla on pitkä käyttöikä ja työtoiminto pysyy alhaisena, mikä lisää merkittävästi lämpömuuntimen tehokkuutta [18] .

Ilmiön soveltaminen

Kaikkien tyhjiöelektroniikkalaitteiden ja katodisädelaitteiden , elektronisuihkutekniikan, elektronimikroskooppien ja lämpöenergiamuuntimien toiminta perustuu termionisen emission ilmiöön .

Muistiinpanot

↑ Paxton, William TYPPEEN SISÄLLYTETTYJEN MONIKITEISTEN TIMANTTIkalvojen TERMIONISET ELEKTRONISIO-OMINAISUUDET . Haettu 22. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 23. marraskuuta 2016. (määrätön)
↑ Termioninen tehomuunnin . Encyclopedia Britannica . Haettu 22. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 23. marraskuuta 2016. (määrätön)
↑
Katso esimerkiksi:
- Guthrie Frederick. Lämmön ja staattisen sähkön suhteesta // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science : Journal. - 1873. - lokakuu ( nide 4 46 , nro 306 ). - s. 257-266 . - doi : 10.1080/14786447308640935 . Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2018.
- Guthrie Frederick. Lämmön ja sähkön uudesta suhteesta (englanti) // Proceedings of the Royal Society of London : Journal. - 1873. - 13. helmikuuta ( nide 21 , nro 139-147 ). - s. 168-169 . - doi : 10.1098/rspl.1872.0037 . Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2018.
↑ Richardson OW Thermionic Emission from Hot Bodies . - Wexford College Press, 2003. - S. 196. - ISBN 978-1-929148-10-3 .
↑
Katso esimerkiksi:
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1869. - T. 2. sarja 136 , nro 1 . - S. 1-31 . - doi : 10.1002/andp.18692120102 .
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1869. - T. 2. sarja 136 , nro 2 . - S. 197-234 . - doi : 10.1002/andp.18692120203 .
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1874. - T. Jubalband (juhlapäivänide) . - S. 430-445 . Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2018.
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1879. - T. 3. sarja 7 , nro 8 . - S. 553-631 . - doi : 10.1002/andp.18792430804 .
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1883. - T. 3. sarja 20 , nro 12 . - S. 705-755 . - doi : 10.1002/andp.18832561214 .
- Hittorf W. Ueber die Electricitätsleitung der Gase (saksa) // Annalen der Physik und Chemie . - 1884. - T. 3. sarja 21 . - S. 90-139 . - doi : 10.1002/andp.18842570105 .
↑ E. Goldstein (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" Arkistoitu 13. tammikuuta 2018. (Sähkönjohtamisesta tyhjiössä) Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 24 : 79-92.
↑
Katso esimerkiksi:
- Elster ja Geitel (1882) "Ueber die Electricität der Flamme" (Liekkien sähköstä), Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 16 : 193-222.
- Elster ja Geitel (1883) "Ueber Electricitätserregung beim Contact von Gasen und glühenden Körpern" (Sähkön tuottamisesta kaasujen ja hehkukappaleiden kosketuksessa), Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 19 : 588-624.
- Elster ja Geitel (1885) "Ueber die unipolare Leitung erhitzter Gase" (Lämmitettyjen kaasujen unipolaarisesta johtavuudesta) Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 26 : 1-9.
- Elster ja Geitel (1887) "Ueber die Electrisirung der Gase durch glühende Körper" (Kaasujen sähköistämisestä hehkukappaleiden avulla) Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 31 : 109-127.
- Elster ja Geitel (1889) "Ueber die Electricitätserregung beim Contact verdünnter Gase mit galvanisch glühenden Drähten" (Sähkön tuottamisesta harvennetun kaasun kosketuksella sähkölämmitettyjen johtojen kanssa) Annalen der Physik und Chemie , 3. sarja, 37 : 315-329.
↑ Edison, Thomas A. , "Sähköinen indikaattori", US 307031 , julkaistu 15. marraskuuta 1883, julkaistu 21. lokakuuta 1884
↑ Preece, William Henry. Hehkulamppujen omituisesta käyttäytymisestä, kun ne nostetaan korkealle hehkulle // Proceedings of the Royal Society of London : Journal . - 1885. - Voi. 38 , ei. 235-238 . - s. 219-230 . - doi : 10.1098/rspl.1884.0093 . Arkistoitu alkuperäisestä 26. kesäkuuta 2014. Preece käyttää termiä "Edison-ilmiö" sivulla 229.
↑ Josephson M. Edison . - McGraw-Hill Education , 1959. - ISBN 978-0-07-033046-7 .
↑
Katso esimerkiksi:
- Termionisen venttiilin väliaikainen spesifikaatio jätettiin 16. marraskuuta 1904. Tässä asiakirjassa Fleming loi brittiläisen termin "venttiili" mitä Pohjois-Amerikassa kutsutaan "tyhjiöputkeksi": "Keinot, joita käytän tähän tarkoitukseen, ovat vaihtovirran kytkeminen piiriin sellaisen laitteen, joka sallii vain sähkövirran kulkemisen yhteen suuntaan ja muodostaa siten sähköventtiilin".
- Fleming, John Ambrose, "Parannuksia instrumenteissa vaihtovirtavirran havaitsemiseen ja mittaamiseen", GB 190424850 , julkaistu 15. elokuuta 1905, julkaistu 21. syyskuuta 1905
- Fleming, John Ambrose, "Vaihtoehtoisten sähkövirtojen muuntaminen jatkuviksi virroiksi", US 803684 , julkaistu 29. huhtikuuta 1905, julkaistu 7. marraskuuta 1905
↑ Fridrikhov S. A., Movnin S. M. Luku 10. Emissioelektroniikan fyysiset perusteet // Elektroniikkatekniikan fyysiset perusteet. - M . : Korkeakoulu, 1982. - S. 434-435. — 608 s.
↑ Zinovjev V. A. Lyhyt tekninen opas. Osa 1. - M.-L. Techteorizdat, 1949. - s. 183
↑ Kiziroglou ME; Li X.; Zhukov A.A.; De Groot PAJ; De Groot CH Lämpökenttäemissio sähkösaostetuissa Ni-Si Schottky-esteissä (englanniksi) // Solid-State Electronics : Journal. - 2008. - Voi. 52 , no. 7 . - P. 1032-1038 . - doi : 10.1016/j.sse.2008.03.002 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 9. elokuuta 2020.
↑ Orloff, J. Schottky-emission // Varattujen hiukkasten optiikkakäsikirja (uuspr.) . – 2. - CRC Press , 2008. - S. 5-6. — ISBN 978-1-4200-4554-3 .
↑ Murphy, E.L.; Hyvä GH Thermionic Emission, Field Emission, and the Transition Region (englanniksi) // Physical Review : Journal. - 1956. - Voi. 102 , no. 6 . - s. 1464-1473 . - doi : 10.1103/PhysRev.102.1464 . - .
↑ Mal'Shukov AG; Chao KA Opto-Thermionic Refrigeration in Semiconductor Heterostructures (englanniksi) // Physical Review Letters : Journal. - 2001. - Voi. 86 , no. 24 . - P. 5570-5573 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.86.5570 . - . — PMID 11415303 .
↑ Svensson R.; Holmlid L. Erittäin alhaiset työskentelypinnat kondensoituneista viritystiloista: Rydber-aine cesium // Surface Science : Journal. - 1992. - Voi. 269/270 . - s. 695-699 . - doi : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . - .

Kirjallisuus

Trofimova T. I. Fysiikan kurssi.
Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emission elektroniikka. - M .: Nauka, 1966. - 564 s.

Hering K., Nichols M. Thermionic emission. - M . : Ulkomaisen kirjallisuuden kustantamo, 1950. - 196 s.

Linkit

Thermionic emission - artikkeli Great Soviet Encyclopediasta .
Filmifragmentti "Thermionic Emission" - Katodin lämpötilan vaikutus metallin elektronien emission lähtövirtaan esitetään.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen maailman ympäri Britannica (verkossa) Universalis
Bibliografisissa luetteloissa	NKC : ph126603

thomas Edison
Löytöjä ja keksintöjä	Paristot rauta-nikkeli nikkeli-sinkki Aerophone Quadroplex lennätin Kinetografi Kinetoskooppi Rotaattori Tasimetri ticker kone hiilimikrofoni Levysoitin fonografinukke Fonomotor sokkeli Aether Force Luettelo patenteista
Edistäminen ja edistyminen	Filmikamera hehkulamppu Kuparioksidin sähkökemiallinen kenno Fluoroskopia Termioninen emissio Konsolidoitu Edison
Yritykset ja yritykset	Elokuvastudio "Edison" Edison Film Trust Edison ja Swan Electric Light Edison Illuminating konetehdas Edison Manufacturing Edison Ore-Milling Edison Portland Cement Records General Electric MSA:n turvallisuus Thomas A. Edison, Inc.
Muistomerkit ja museot	Talo Edison ja Ford Winter General Electric Research Laboratory Memorial Tower and Museum Syntymäpaikka Museo Depot Museum National Historical Park State Park Musta Maria Pearl Street Power Plant
pojat	Charles (1890-1969) Theodor (1898-1992)
Thomas Edisonin elokuvat	Newark Athlete (1891) Carmencita (1894) Paljas ori (1894) Buffalo Dance (1894) Annie Oakley (1894) Skotlannin Marian teloitus (1895) Kiss (1896) Kengänkiillotuskone (1903) Frankenstein (1910)
Elokuvia Thomas Edisonista	Nuori Tom Edison (1940) Edison, mies (1940) Minun XX vuosisata (1989) Nykyinen sota (2017) Tesla (2020)
Kirjallisuus	Eve of the Future (1886) Edison's Conquest of Mars (1898)
Katso myös	(742) Edison Hei Virtojen sota vahasylinteri Edisonin pioneerit Thomas Edison populaarikulttuurissa Edison (New Jersey) edisonadi