Edison-Richardson Effect

Den Edison-Richardson effekt (også glødende elektrisk effekt , gløde utslipp , thermionic utslipp , Edison effekt eller Richardson effekt ) beskriver utsendelse av elektroner fra et oppvarmet varm katode (vanligvis i en vakuum ). Minimumstemperaturene er over 900 K og avhenger sterkt av materialet på overflaten.

Edison-Richardson-effekten på en elektronrør

Generell

Elektronene overvinner karakteristikken på grunn av deres termiske energi arbeidsfunksjon av metallet eller oksidlaget. Hvis de frie elektronene ikke blir ekstrahert av et elektrisk felt , danner de en romladesky rundt den varme katoden i vakuum og lader elektroder i nærheten negativt sammenlignet med "katoden". Denne effekten kan brukes til direkte konvertering av termisk energi til elektrisk energi. Effektiviteten til denne termioniske generatoren er imidlertid lav.

For tekniske bruksområder gjøres det for å holde den nødvendige temperaturen på den varme katoden så lav som mulig ved å bruke materialer med lav arbeidsfunksjon. Dette førte til utviklingen av oksydkatoden .

historie

Historisk lyspære som Edison observerte effekten på

Effekten ble først beskrevet av Frederick Guthrie i 1873 . Han oppdaget at et positivt ladet elektroskop blir utladet hvis du tar et jordet, glødende metallstykke i nærheten. Med et negativt ladet elektroskop skjer ingenting, noe som betyr at glødende metall bare kan avgi en negativ ladning.

Thomas Edison gjenoppdaget dette fenomenet i 1880 under eksperimenter med glødelamper og i 1883 søkte han patent på en søknad basert på den. Mellom 1882 og 1889 undersøkte Julius Elster og Hans Friedrich Geitel systematisk ladningen som ble gitt av en varm ledning. Metningstrømtettheten ble beregnet i 1901 av Owen Willans Richardson i Richardson-ligningen, som han ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1928 .

Richardsons ligning

Richardson-ligningen beskriver strømtettheten J til elektronene som kommer ut av et metall ved høye temperaturer. Det er

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

Her T er den absolutte temperatur , W _e frigjøringsarbeidet for elektroner, k _B den Boltzmanns konstant og A den Richardson konstant .

Arbeidet med frigjøring for elektroner er vanligvis rundt 1 til 6  eV . Richardson-konstanten avhenger først og fremst av metallet som brukes og av overflateegenskapene og er like under . For metalloksider er det mye lavere. ${\ displaystyle 10 ^ {6} {\ tfrac {\ mathrm {A}} {\ mathrm {m ^ {2} K ^ {2}}}}}$

I følge Saul Dushman (1883–1954) kan Richardson-konstanten estimeres som følger:

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

Her m og e er den elektronmassen eller elementærladning og k _b og h er Boltzmann og Planck konstanter, henholdsvis . ligningen

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

er også kjent som Richardson-Dushman-ligningen .

En korreksjonsbetegnelse for arbeidsfunksjonen er resultatet av Schottky-effekten når feltstyrken er veldig høy . I dette arbeidsområdet snakker man om Schottky-utslipp .

applikasjoner

Glødemisjonen brukes til å generere frie elektroner i elektronrør . I en sterkt evakuert beholder strømmer en (elektron) strøm mellom den direkte eller indirekte oppvarmede varme katoden og anoden, som kan styres av et rutenett i mellom. Elektronrør muliggjør forsterkning av elektriske signaler, i lydfrekvensområdet og i høyfrekvensområdet, i sendere og mottakere. Elektronrør gjorde det mulig å overføre ikke bare morskoden , men også tale, musikk og bilder.

Den CRT (Braun rør) består av en elektronkilde med en påfølgende nedbøyning. Applikasjoner:

• for elektronstrålesmelting og elektronstrålefordampning og elektronstrålesveising, også i skanningelektronmikroskopet .
• med lysrør som billedrør i gamle fjernsyn og oscilloskoper .

Varme katodefluorescerende lamper bruker også glødelampe. I mange andre gassutladningslamper og også karbonlysbuer , varmes elektrodene opp i en slik grad at lysutslipp spiller en rolle. Dette er imidlertid ikke tilfelle med kalde katoderør som lysrør eller glødelamper eller med blinkrør .

Gløde utslipp fortsetter å bli brukt i tyratroner , magnetroner , klystroner , vandrebølge-rør, og vakuumfluoriserende skjermer. Også her tjener det til å generere gratis elektroner.

Ved hjelp av termionisk utslipp kan arbeidsfunksjon bestemmes. Imidlertid påvirker det elektriske feltet , som kreves for å fjerne elektronene fra katoden , det, slik at den målte strømmen må ekstrapoleres til feltstyrken . ${\ displaystyle E = 0}$

Bivirkninger av glødemisjon

Derimot er glødemisjon uønsket når det gjelder kontrollnett av elektronrør (dvs. når rutenettet lyser på grunn av oppvarming), her fører det til såkalt rutenettutslipp og til en hindrende rutenettstrøm som kan forskyve driftspunktet . Kraftrør er derfor vanligvis utstyrt med kjøletapper (strålingskjøling) ved endene av gitterstøttestengene; sistnevnte er vanligvis laget av kobber for god varmeledning.

Relaterte effekter

• Utenfor fotoeffekt
• Feltutslipp

weblenker

• Animert illustrasjon av glødelektrisk effekt ( LEIFI )

Individuelle bevis

1. ↑ Felix Auerbach: Elektrisitet og magnetisme . I: Felix Auerbach (red.): Utviklingshistorie for moderne fysikk: Samtidig en oversikt over dine fakta, lover og teorier . Springer, Berlin, Heidelberg 1923, ISBN 978-3-642-50951-3 , pp. 241-278, 263 , doi : 10.1007 / 978-3-642-50951-3_16 . 
2. ↑ Patent US307031 : Elektrisk indikator. Publisert 21. oktober 1884 , oppfinner: TA Edision. ‌
3. ^ ^{A b} Owen W. Richardson: Termioniske fenomener og lovene som styrer dem . 12. desember 1929 ( nobelprize.org [PDF] Nobelprisforedrag). 
4. ^ Saul Dushman: Elektronemisjon fra metaller som en funksjon av temperatur . I: Phys. Pastor band 21 , nei. 6 , 1923, s. 623-636 , doi : 10.1103 / PhysRev.21.623 . 
5. ^ Neil W. Ashcroft, N. David Mermin: Solid State Physics . Saunders College Publishing, New York 1976, ISBN 0-03-083993-9 , pp. 362-364 .