Efeito Edison-Richardson

O efeito Edison-Richardson (também incandescência efeito eléctrico , fulgor emissão , emissão termiónico , efeito Edison ou efeito Richardson ) descreve a emissão de electrões a partir de uma aquecida cátodo quente (usualmente num vácuo ). As temperaturas mínimas estão acima de 900 K e dependem muito do material da superfície.

O efeito Edison-Richardson em um "tubo" de elétrons

Geral

Os elétrons superam a característica devido à sua função de trabalho de energia térmica do metal ou da camada de óxido. Se os elétrons livres não são extraídos por um campo elétrico , eles formam uma nuvem de carga espacial ao redor do cátodo quente no vácuo e carregam os eletrodos próximos negativamente em comparação com o “cátodo”. Este efeito pode ser usado para a conversão direta de energia térmica em energia elétrica. A eficiência deste gerador termiônico é, no entanto, baixa.

Para aplicações técnicas, esforços são feitos para manter a temperatura necessária do cátodo quente o mais baixa possível, usando materiais com uma função de trabalho baixa. Isso levou ao desenvolvimento do cátodo de óxido .

história

Lâmpada histórica na qual Edison observou o efeito

O efeito foi descrito pela primeira vez por Frederick Guthrie em 1873 . Ele descobriu que um eletroscópio com carga positiva é descarregado se você aproximar um pedaço de metal brilhante aterrado. Com um eletroscópio carregado negativamente, nada acontece, o que significa que o metal brilhante só pode emitir uma carga negativa.

Thomas Edison redescobriu este fenômeno em 1880 durante experimentos com lâmpadas incandescentes e em 1883 solicitou uma patente para um pedido baseado nele. Entre 1882 e 1889, Julius Elster e Hans Friedrich Geitel examinaram sistematicamente a carga emitida por um fio quente. A densidade de corrente de saturação foi calculada em 1901 por Owen Willans Richardson na equação de Richardson, pela qual ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1928 .

Equação de Richardson

A equação de Richardson descreve a densidade de corrente J dos elétrons emergindo de um metal em altas temperaturas. isto é

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

Aqui, T é a temperatura absoluta , W _e o trabalho de liberação para elétrons, k _B a constante de Boltzmann e A a constante de Richardson .

O trabalho de liberação de elétrons é geralmente cerca de 1 a 6  eV . A constante de Richardson depende principalmente do metal usado e das propriedades da superfície e está logo abaixo . É muito mais baixo para óxidos de metal. ${\ displaystyle 10 ^ {6} {\ tfrac {\ mathrm {A}} {\ mathrm {m ^ {2} K ^ {2}}}}}$

De acordo com Saul Dushman (1883–1954), a constante de Richardson pode ser estimada da seguinte forma:

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

Aqui m e E são a massa de electrões ou carga elementar e k _B e H são os Boltzmann e Planck constantes, respectivamente . a equação

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

também é conhecida como equação de Richardson-Dushman .

Um termo de correção para a função de trabalho resulta do efeito Schottky quando a intensidade do campo é muito alta . Nesta área de trabalho fala-se de emissão Schottky .

Formulários

A emissão de brilho é usada para gerar elétrons livres em tubos de elétrons . Em um recipiente altamente evacuado, uma corrente (de elétrons) flui entre o cátodo quente aquecido direta ou indiretamente e o ânodo, que pode ser controlado por uma grade intermediária. Tubos de elétrons permitem a amplificação de sinais elétricos, na faixa de frequência de áudio e na faixa de alta frequência, em transmissores e receptores. Os tubos de elétrons possibilitaram a transmissão não apenas do código Morse , mas também da fala, da música e das imagens.

O CRT (tubo de Braun) consiste em uma fonte de elétrons com uma deflexão subsequente. Formulários:

• para fusão por feixe de elétrons e evaporação por feixe de elétrons e soldagem por feixe de elétrons, também no microscópio eletrônico de varredura .
• com uma tela fluorescente como um tubo de imagem em televisores e osciloscópios antigos .

As lâmpadas fluorescentes de cátodo quente também usam emissão incandescente. Em muitas outras lâmpadas de descarga de gás e também lâmpadas de arco de carbono , os eletrodos aquecem a tal ponto que as emissões luminosas desempenham um papel. No entanto , este não é o caso com tubos catódicos frios , como tubos fluorescentes ou lâmpadas incandescentes ou com tubos de flash .

A emissão de brilho continua a ser usada em tiratrons , magnetrons , clístrons , tubos de ondas viajantes e telas fluorescentes a vácuo . Também aqui serve para gerar elétrons livres.

Com a ajuda da emissão termiônica, a função de trabalho pode ser determinada. No entanto, o campo elétrico , necessário para remover os elétrons do cátodo , o influencia, de modo que a corrente medida tem que ser extrapolada para a intensidade do campo . ${\ displaystyle E = 0}$

Efeitos adversos da emissão de brilho

Em contraste, a emissão de brilho é indesejável no caso de grades de controle de tubos de elétrons (isto é, quando a grade brilha devido ao aquecimento), aqui leva à chamada emissão de grade e a uma corrente de grade obstrutiva que pode mudar o ponto de operação . Os tubos de energia são, portanto, normalmente fornecidos com guias de resfriamento (resfriamento por radiação) nas extremidades das hastes de suporte da rede; os últimos são geralmente feitos de cobre para boa condução de calor.

Efeitos relacionados

• Efeito de foto externa
• Emissão de campo

Links da web

• Ilustração animada do efeito elétrico brilhante ( LEIFI )

Evidência individual

1. ↑ Felix Auerbach: Eletricidade e magnetismo . In: Felix Auerbach (ed.): História do desenvolvimento da física moderna: ao mesmo tempo, uma visão geral de seus fatos, leis e teorias . Springer, Berlin, Heidelberg 1923, ISBN 978-3-642-50951-3 , pp. 241-278, 263 , doi : 10.1007 / 978-3-642-50951-3_16 . 
2. ↑ Patente US307031 : Indicador elétrico. Publicado em 21 de outubro de 1884 , inventor: TA Edision. ‌
3. ^ ^{A b} Owen W. Richardson: Fenômenos Thermionic e as leis que os governam . 12 de dezembro de 1929 ( nobelprize.org [PDF] Palestra do Prêmio Nobel). 
4. ^ Saul Dushman: Emissão de elétrons de metais em função da temperatura . In: Phys. Rev. Band 21 , não. 6 , 1923, pp. 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 .