Эффект Эдисона-Ричардсона

Эффект Эдисона-Ричардсона (также светящийся электрический эффект , свечение , термоэлектронная эмиссия , эффект Эдисона или эффект Ричардсона ) описывает испускание электронов из нагретого горячего катода (обычно в вакууме ). Минимальные температуры выше 900 К и сильно зависят от материала поверхности.

Эффект Эдисона-Ричардсона на электронной «трубке»

Общее

Электроны преодолевают характеристику из-за их работы выхода тепловой энергии из металла или оксидного слоя. Если свободные электроны не извлекаются электрическим полем , они образуют облако пространственного заряда вокруг горячего катода в вакууме и заряжают близлежащие электроды отрицательно по сравнению с «катодом». Этот эффект можно использовать для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Однако КПД этого термоэмиссионного генератора невысок.

Для технических приложений прилагаются усилия, чтобы поддерживать требуемую температуру горячего катода на как можно более низком уровне, используя материалы с низкой работой выхода. Это привело к разработке оксидного катода .

история

Историческая лампочка, на которой Эдисон наблюдал эффект

Впервые эффект был описан Фредериком Гатри в 1873 году . Он обнаружил, что положительно заряженный электроскоп разряжается, если поднести к нему заземленный светящийся кусок металла. С отрицательно заряженным электроскопом ничего не происходит, а это означает, что светящийся металл может испускать только отрицательный заряд.

Томас Эдисон заново открыл это явление в 1880 году во время экспериментов с лампами накаливания и в 1883 году подал заявку на патент на приложение, основанное на нем. Между 1882 и 1889 годами Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гейтель систематически исследовали заряд, выделяемый горячей проволокой. Плотность тока насыщения была рассчитана в 1901 году Оуэном Уиллансом Ричардсоном в уравнении Ричардсона, за которое он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1928 году .

Уравнение Ричардсона

Уравнение Ричардсона описывает плотность тока J электронов, выходящих из металла при высоких температурах. это

${\ displaystyle J = AT ^ {2} e ^ {- {\ frac {W _ {\ mathrm {e}}} {k _ {\ mathrm {B}} T}}}}$,

Здесь Т абсолютная температуры , Вт _{электронной} работы выхода электронов, к _Б на постоянную Больцмана и А на постоянной Ричардсону .

Работа высвобождения электронов обычно составляет от 1 до 6  эВ . Постоянная Ричардсона зависит в первую очередь от используемого металла и свойств поверхности и находится чуть ниже . Для оксидов металлов он намного ниже. ${\ displaystyle 10 ^ {6} {\ tfrac {\ mathrm {A}} {\ mathrm {m ^ {2} K ^ {2}}}}}$

Согласно Саулу Душману (1883–1954), постоянная Ричардсона может быть оценена следующим образом:

${\ displaystyle A = {\ frac {4 \ pi \; \! mk _ {\ mathrm {B}} ^ {2} e} {h ^ {3}}} = 1 {,} 20173 \ cdot 10 ^ { 6} \, {\ frac {\ mathrm {A}} {\ mathrm {m ^ {2} \, K ^ {2}}}}}$

Здесь т и е являются масса электрона или элементарный заряд , и к _В и Н Больцмана и Планка констант, соответственно . уравнение

${\ displaystyle J = {\ frac {4 \ pi \; \! me} {h ^ {3}}} (k _ {\ mathrm {B}} T) ^ {2} e ^ {- {\ frac { W_ {\ mathrm {e}}} {k _ {\ mathrm {B}} T}}}}$

также известно как уравнение Ричардсона-Душмана .

Поправочный член для работы выхода является результатом эффекта Шоттки, когда напряженность поля очень высока . В этой области работы говорят об эмиссии Шоттки .

Приложения

Свечение используется для генерации свободных электронов в электронных лампах. В сильно вакуумированном сосуде (электронный) ток течет между горячим катодом с прямым или косвенным нагревом и анодом, которым можно управлять с помощью промежуточной сетки. Электронные лампы позволяют усиливать электрические сигналы в диапазоне звуковых частот и в диапазоне высоких частот в передатчиках и приемниках. Электронные лампы позволяли передавать не только азбуку Морзе , но также речь, музыку и изображения.

ЭЛТ (Браун труба) состоит из электронного источника с последующим отклонением. Приложения:

• для электронно-лучевой плавки и электронно-лучевого испарения и электронно-лучевой сварки, а также в сканирующем электронном микроскопе .
• с люминесцентным экраном, как кинескоп в старых телевизорах и осциллографах .

В люминесцентных лампах с горячим катодом также используется лампа накаливания. Во многих других газоразрядных лампах, а также угольных дуговых лампах электроды нагреваются до такой степени, что свечение играет определенную роль. Тем не менее , это не в случае с холодным катодом трубками , такие как флуоресцентные трубки или свечение лампы или с импульсными лампами .

Свечение продолжает использоваться в тиратронах , магнетронах , клистронах , лампах бегущей волны и вакуумных флуоресцентных дисплеях. И здесь он служит для генерации свободных электронов.

С помощью термоэмиссии определяется работа выхода . Однако электрическое поле , которое требуется для удаления электронов с катода , влияет на него, поэтому измеренный ток необходимо экстраполировать на напряженность поля . ${\ displaystyle E = 0}$

Побочные эффекты свечения

В противоположности этому , свечение излучение нежелательно в случае контрольных сеток в электронных лампах (т.е. когда сетка светится из - за нагрев), здесь это приводит к так называемым выбросами сетки и к обструктивным току сетки , который может сместить в рабочей точке . Поэтому силовые трубки обычно снабжены охлаждающими язычками (радиационное охлаждение) на концах опорных стержней решетки; последние обычно изготавливаются из меди для хорошей теплопроводности.

Связанные эффекты

• Внешний фотоэффект
• Автоэлектронная эмиссия

веб ссылки

• Анимированная иллюстрация светящегося электрического эффекта ( LEIFI )

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Феликс Ауэрбах: Электричество и магнетизм . В: Феликс Ауэрбах (ред.): История развития современной физики: В то же время обзор ваших фактов, законов и теорий . Springer, Берлин, Гейдельберг 1923, ISBN 978-3-642-50951-3 , стр. 241-278, 263 , DOI : 10.1007 / 978-3-642-50951-3_16 . 
2. ↑ Патент US307031 : Электрический индикатор. Опубликовано 21 октября 1884 г. , изобретатель: TA Edision. ‌
3. ^ ^{A b} Оуэн В. Ричардсон: Термоэлектронные явления и законы, которые ими управляют . 12 декабря 1929 г. ( nobelprize.org [PDF] Лекция о Нобелевской премии). 
4. ^ Саул Душман: Эмиссия электронов из металлов как функция температуры . В кн . : Phys. Rev. Band 21 , нет. 6 , 1923, стр. 623-636 , DOI : 10.1103 / PhysRev.21.623 . 
5. ^ Нил У. Эшкрофт, Н. Дэвид Мермин: Физика твердого тела . Издательство Saunders College Publishing, Нью-Йорк 1976, ISBN 0-03-083993-9 , стр. 362-364 .