stringtranslate.com

Термоэлектронная эмиссия

Крупный план нити накала ртутной газоразрядной лампы низкого давления : видно белое покрытие из термоэмиссионной смеси на центральной части катушки. Обычно это покрытие состоит из смеси оксидов бария , стронция и кальция . При нормальном использовании оно разбрызгивается , что в конечном итоге приводит к выходу лампы из строя.
Одна из лампочек, с помощью которых Эдисон открыл термоэлектронную эмиссию. Он состоит из вакуумированной стеклянной лампочки с углеродной нитью (в форме шпильки) и дополнительной металлической пластиной, прикрепленной к проводам, выходящим из основания. Электроны , выпущенные нитью, притягивались к пластине, когда на ней было положительное напряжение.

Термоэлектронная эмиссия (также известная как тепловая электронная эмиссия или эффект Эдисона ) — это высвобождение электронов из электрода в силу его температуры (высвобождение энергии, поставляемой теплом ). Это происходит потому, что тепловая энергия , переданная носителю заряда, превосходит работу выхода материала. Носителями заряда могут быть электроны или ионы , а в старой литературе их иногда называют термоионами . После испускания в излучающей области сначала остается заряд, равный по величине и противоположный по знаку общему испускаемому заряду. Но если эмиттер подключен к батарее, оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, подаваемым батареей, по мере того, как излучаемые носители заряда удаляются от эмиттера, и, наконец, эмиттер окажется в том же состоянии, в котором он был до эмиссии.

Классическим примером термоэлектронной эмиссии является выброс электронов из горячего катода в вакуум вакуумной трубки . Горячий катод может представлять собой металлическую нить, металлическую нить с покрытием или отдельную структуру из металла или карбидов или боридов переходных металлов. Эмиссия вакуума из металлов имеет тенденцию становиться значительной только при температурах выше 1000 К (730 ° C; 1340 ° F).

Этот процесс имеет решающее значение в работе различных электронных устройств и может использоваться для выработки электроэнергии (например, термоэмиссионные преобразователи и электродинамические тросы ) или для охлаждения. Величина потока заряда резко возрастает с ростом температуры.

Термин «термионная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого термически возбужденного процесса эмиссии заряда, даже когда заряд излучается из одной области твердого тела в другую.

История

Эффект Эдисона в диодной лампе. Диодная трубка подключается в двух конфигурациях; у одного есть поток электронов, а у другого нет. (Стрелки обозначают электронный ток, а не обычный ток .)

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 году, слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, проведенных до этой даты.

Впервые об этом явлении сообщил в 1853 году Эдмон Беккерель . [1] [2] [3] Он был заново открыт в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании. [4] [5] Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленная железная сфера с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом разряжая его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходит, если сфера имеет положительный заряд. [6] Среди других первых авторов были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), [7] [8] [9] [10] [ 11] [12] Ойген Гольдштейн (1885), [13] и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гейтель. (1882–1889). [14] [15] [16] [17] [18]

Эффект был вновь открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, когда он пытался обнаружить причину обрыва нитей накаливания и неравномерного почернения (наиболее темного вблизи положительного вывода нити) лампочек в его лампах накаливания .

Эдисон построил несколько экспериментальных лампочек с дополнительной проволокой, металлической пластиной или фольгой внутри колбы, которая была отделена от нити накала и, таким образом, могла служить электродом. Он подключил гальванометр — прибор, используемый для измерения электрического тока (потока заряда), к выходу дополнительного металлического электрода. Если фольга была помещена под отрицательный электрический потенциал относительно нити, между нитью и фольгой не было измеримого тока. Когда фольга была поднята до положительного потенциала относительно нити, между нитью накала через вакуум и фольгой мог возникнуть значительный ток, если нить накала была достаточно нагрета (собственным внешним источником энергии).

Теперь мы знаем, что нить излучала электроны, которые притягивались к положительно заряженной фольге, а не к отрицательно заряженной. Этот односторонний ток был назван эффектом Эдисона (хотя этот термин иногда используется для обозначения самой термоэлектронной эмиссии). Он обнаружил, что ток, излучаемый горячей нитью накала, быстро увеличивается с увеличением напряжения, и 15 ноября 1883 года подал заявку на патент на устройство регулирования напряжения, использующее этот эффект (патент США 307 031, [ 19] первый патент США на электронное устройство. устройство). Он обнаружил, что через устройство будет проходить достаточный ток для работы телеграфного эхолота. Она была выставлена ​​на Международной электрической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Уильям Прис , британский ученый, взял с собой несколько лампочек с эффектом Эдисона. В 1885 году он представил о них статью, в которой назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона». [20] [21] Британский физик Джон Амброуз Флеминг , работавший в британской компании «Wireless Telegraphy», обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлементной вакуумной лампы , известной как диод , которую он запатентовал 16 ноября 1904 года. [22] [23] [24]

Термоэмиссионный диод также может быть сконфигурирован как устройство, преобразующее разность тепла в электрическую энергию напрямую, без движущихся частей ( термоэлектронный преобразователь , разновидность теплового двигателя ).

Закон Ричардсона

После идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 году «за работу над термоэлектронным явлением и особенно за открытие закона, названного в его честь».

Согласно зонной теории , на каждый атом твердого тела приходится один или два электрона , которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Иногда это все вместе называют «морем электронов». Их скорости подчиняются статистическому распределению, а не являются равномерными, и иногда электрон имеет достаточную скорость, чтобы покинуть металл, не втягиваясь обратно. Минимальное количество энергии, необходимое электрону для того, чтобы покинуть поверхность, называется работой выхода . Работа выхода характерна для материала и для большинства металлов составляет порядка нескольких электронвольт . Термоэмиссионные токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Этой часто желаемой цели можно достичь, нанеся на проволоку различные оксидные покрытия.

В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: ток от нагретой проволоки, казалось, зависел экспоненциально от температуры провода и имел математическую форму, подобную уравнению Аррениуса . [25] Позже он предложил, чтобы закон эмиссии имел математическую форму [26] [ проверка не удалась ]

где J — плотность тока эмиссии , T — температура металла, W — работа выхода металла, k — постоянная Больцмана , а AG — параметр, который обсуждается далее .

В период с 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах возросло, Ричардсон, Сол Дашман , Ральф Х. Фаулер , Арнольд Зоммерфельд и другие теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) предложили для AG Ричардсон . Лотар Вольфганг Нордхайм . Спустя более 60 лет среди заинтересованных теоретиков до сих пор нет единого мнения относительно точного выражения AG , но есть согласие, что AG должно быть записано в виде:

где λ R — поправочный коэффициент, зависящий от материала, который обычно имеет порядок 0,5, а A 0 — универсальная константа, определяемая формулой [26]

где m и — масса и заряд электрона соответственно, а h — постоянная Планка .

Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто согласие, что из-за волновой природы электронов некоторая часть вылетающих электронов будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность эмиссионного тока будет уменьшена, и λ R будет иметь значение (1- rav ) . Так, иногда можно встретить уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде:

.

Однако современная теоретическая трактовка Модиноса предполагает, что необходимо также учитывать зонную структуру излучающего материала. Это введет второй поправочный коэффициент λ B в λ R , что даст . Экспериментальные значения «обобщенного» коэффициента A G обычно имеют порядок A 0 , но существенно различаются между разными излучающими материалами и могут различаться между разными кристаллографическими гранями одного и того же материала. По крайней мере качественно, эти экспериментальные различия можно объяснить различиями в величине λ R .

В литературе в этой области существует значительная путаница, поскольку: (1) многие источники не делают различия между A G и A 0 , а просто используют без разбора символ A (а иногда и название «константа Ричардсона»); (2) уравнения с поправочным коэффициентом, обозначенным здесь как λ R , и без него , имеют одно и то же имя; и (3) для этих уравнений существуют различные названия, в том числе «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона-Душмана» и «уравнение Ричардсона-Лауэ-Душмана». В литературе элементарное уравнение иногда приводится в обстоятельствах, когда обобщенное уравнение было бы более уместным, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа типа «А» всегда должно быть явно определено с точки зрения более фундаментальных величин.

Из-за экспоненциальной функции ток быстро увеличивается с температурой, когда kT меньше W. [ необходимо дальнейшее объяснение ] (Практически для каждого материала плавление происходит задолго до того, как kT = W. )

Недавно закон термоэлектронной эмиссии был пересмотрен для 2D-материалов в различных моделях. [27] [28] [29]

Эмиссия Шоттки

Источник электронов с эмиттером Шоттки электронного микроскопа

В устройствах электронной эмиссии, особенно в электронных пушках , термоэлектронный эмиттер электронов будет смещен отрицательно по отношению к окружающей среде. Это создает электрическое поле величиной E на поверхности эмиттера. Без поля поверхностный барьер, видимый убегающим электроном с уровня Ферми, имеет высоту W , равную локальной работе выхода. Электрическое поле снижает поверхностный барьер на величину Δ W и увеличивает ток эмиссии. Это известно как эффект Шоттки (названный в честь Уолтера Х. Шоттки ) или усиленная полем термоэлектронная эмиссия. Его можно смоделировать простой модификацией уравнения Ричардсона, заменив W на ( W  − Δ W ). Это дает уравнение [30] [31]

где ε 0 — электрическая постоянная (ранее называемая также диэлектрической проницаемостью вакуума ).

Эмиссия электронов, которая происходит в режиме поля и температуры, к которому применяется это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки . Это уравнение является относительно точным для напряженностей электрического поля ниже примерно 10 8 В м -1 . При напряженности электрического поля выше 10 8 В м -1 так называемое туннелирование Фаулера-Нордгейма (ФН) начинает вносить значительный вклад в эмиссионный ток. В этом режиме комбинированные эффекты усиленной полем термоэмиссии и автоэмиссии можно смоделировать с помощью уравнения Мерфи-Гуда для термополевой (ТФ) эмиссии. [32] В еще более высоких полях туннелирование ФН становится доминирующим механизмом эмиссии электронов, и эмиттер работает в так называемом режиме «холодной полевой электронной эмиссии (CFE)» .

Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена за счет взаимодействия с другими формами возбуждения, такими как свет. [33] Например, возбужденные пары Cs в термоэмиссионных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества , что приводит к уменьшению эмиссионной работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя. [34]

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия (PETE) — это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета, который использует как свет, так и тепло Солнца для выработки электроэнергии и повышает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с нынешним уровнем. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает максимальной эффективности при температуре выше 200 °C, тогда как большинство кремниевых солнечных элементов становятся инертными после достижения температуры 100 °C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарельчатых коллекторах, температура которых достигает до 800 °C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в своем экспериментальном устройстве, она утверждает, что использование арсенида галлия может повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти в три раза превышает эффективность существующих систем [35] [36] и На 12–17 процентов больше, чем существующие 43-процентные многопереходные солнечные элементы. [37] [38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Беккерель, Эдмонд (1853). «Исследования по электропроводности газов при высоких температурах». Comptes Rendus (на французском языке). 37 : 20–24.
    • Отрывок, переведенный на английский язык: Беккерель, Э. (1853). «Исследования по электропроводности газов при высоких температурах». Философский журнал . 4-я серия. 6 : 456–457.
  2. ↑ Пакстон, Уильям Фрэнсис (18 апреля 2013 г.). Термоэлектронно-эмиссионные свойства пленок поликристаллического алмаза с включенным азотом (PDF) (кандидатская диссертация). Университет Вандербильта. hdl : 1803/11438. Архивировано из оригинала 23 ноября 2016 г. Проверено 16 декабря 2022 г.
  3. ^ «Термоэлектронный преобразователь энергии». Британская энциклопедия . Архивировано из оригинала 23 ноября 2016 г. Проверено 22 ноября 2016 г.
  4. ^ Гатри, Фредерик (октябрь 1873 г.). «О связи тепла и статического электричества». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 4-й. 46 (306): 257–266. дои : 10.1080/14786447308640935. Архивировано из оригинала 13 января 2018 г.
  5. ↑ Гатри, Фредерик (13 февраля 1873 г.). «О новом соотношении тепла и электричества». Труды Лондонского королевского общества . 21 (139–147): 168–169. дои : 10.1098/rspl.1872.0037 . Архивировано из оригинала 13 января 2018 года.
  6. ^ Ричардсон, Огайо (2003). Термоэлектронная эмиссия горячих тел. Издательство Уэксфордского колледжа. п. 196. ИСБН 978-1-929148-10-3. Архивировано из оригинала 31 декабря 2013 г.
  7. ^ Хитторф, В. (1869). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Аннален дер Физик и Химия . 2-я серия (на немецком языке). 136 (1): 1–31. Бибкод : 1869AnP...212....1H. дои : 10.1002/andp.18692120102.
  8. ^ Хитторф, В. (1869). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Аннален дер Физик и Химия . 2-я серия (на немецком языке). 136 (2): 197–234. Бибкод : 1869AnP...212..197H. дои : 10.1002/andp.18692120203.
  9. ^ Хитторф, В. (1874). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке). Джубалбанд (юбилейный том): 430–445. Архивировано из оригинала 13 января 2018 г.
  10. ^ Хитторф, В. (1879). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Аннален дер Физик и Химия . 3-я серия (на немецком языке). 7 (8): 553–631. Бибкод : 1879AnP...243..553H. дои : 10.1002/andp.18792430804.
  11. ^ Хитторф, В. (1883). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Аннален дер Физик и Химия . 3-я серия (на немецком языке). 20 (12): 705–755. дои : 10.1002/andp.18832561214.
  12. ^ Хитторф, В. (1884). «Ueber die Electricitätsleitung der Gase» [Об электропроводности газов]. Аннален дер Физик и Химия . 3-я серия (на немецком языке). 21 (1): 90–139. Бибкод : 1884AnP...257...90H. дои : 10.1002/andp.18842570105.
  13. ^ Э. Гольдштейн (1885) «Ueber electricsche Leitung in Vacuum». Архивировано 13 января 2018 г. в Wayback Machine (Об электропроводности в вакууме) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 24 : 79–92.
  14. ^ Эльстер и Гейтель (1882) «Ueber die Electricität der Flamme» (Об электричестве пламени), Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 16 : 193–222.
  15. ^ Эльстер и Гейтель (1883) «Ueber Electricitätserregung beim Contact von Gasen und glühenden Körpern» (О выработке электричества путем контакта газов и раскаленных тел), Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 19 : 588–624.
  16. ^ Эльстер и Гейтель (1885) «Ueber die unipolare Leitung erhitzter Gase» (Об униполярной проводимости нагретых газов») Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 26 : 1–9.
  17. ^ Эльстер и Гейтель (1887) «Ueber die Electrisirung der Gase durch glühende Körper» (Об электрификации газов раскаленными телами) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 31 : 109–127.
  18. ^ Эльстер и Гейтель (1889) «Ueber die Electricitätserregung beim Contact verdünnter Gase mit galvanisch glühenden Drähten» (О выработке электричества путем контакта разреженного газа с электрически нагретыми проводами) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 37 : 315–329 .
  19. ^ US 307031, Эдисон, Томас А. , «Электрический индикатор», опубликовано 21 октября 1884 г. 
  20. ^ Прис, Уильям Генри (1885). «О своеобразном поведении ламп накаливания при высоких температурах накаливания». Труды Лондонского королевского общества . 38 (235–238): 219–230. дои : 10.1098/rspl.1884.0093 . Архивировано из оригинала 26 июня 2014 г.Прис вводит термин «эффект Эдисона» на странице 229.
  21. ^ Джозефсон, М. (1959). Эдисон . МакГроу-Хилл . ISBN 978-0-07-033046-7.
  22. ^ Предварительная спецификация термоэмиссионного клапана была представлена ​​16 ноября 1904 года. В этом документе Флеминг ввел британский термин «клапан» для того, что в Северной Америке называется «вакуумной трубкой»: «Средство, которое я использую для этой цели, состоит в Включение в цепь переменного тока прибора, который обеспечивает прохождение электрического тока только в одном направлении и, следовательно, представляет собой электрический клапан».
  23. ^ GB 190424850, Флеминг, Джон Амброуз , «Усовершенствования приборов для обнаружения и измерения переменных электрических токов», опубликовано 21 сентября 1905 г. 
  24. ^ США 803684, Флеминг, Джон Амброуз , «Прибор для преобразования переменного электрического тока в непрерывный», опубликовано 7 ноября 1905 г. 
  25. ^ О.В. Ричардсон (1901) «Об отрицательном излучении горячей платины», Philosophical of the Cambridge Philosophical Society , 11 : 286-295.
  26. ^ аб Кроуэлл, CR (1965). «Константа Ричардсона термоэлектронной эмиссии в диодах с барьером Шоттки». Твердотельная электроника . 8 (4): 395–399. Бибкод : 1965SSEle...8..395C. дои : 10.1016/0038-1101(65)90116-4.
  27. ^ SJ Liang и LK Ang (январь 2015 г.). «Электронная термоэмиссия из графена и термоэлектронный преобразователь энергии». Применена физическая проверка . 3 (1): 014002. arXiv : 1501.05056 . Бибкод : 2015PhRvP...3a4002L. doi : 10.1103/PhysRevApplied.3.014002. S2CID  55920889.
  28. ^ YS Ang, HY Yang и LK Ang (август 2018 г.). «Универсальное масштабирование в наноразмерных латеральных гетероструктурах Шоттки». Письма о физических отзывах . 121 (5): 056802. arXiv : 1803.01771 . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.056802. PMID  30118283. S2CID  206314695.
  29. ^ Ю.С. Анг, Сюэйи Чен, Чуан Тан и Л.К. Анг (июль 2019 г.). «Обобщенная термоэмиссионная инжекция высокоэнергетических электронов на границе графена». Применена физическая проверка . 12 (1): 014057.arXiv : 1907.07393 . Бибкод : 2019PhRvP..12a4057A. doi : 10.1103/PhysRevApplied.12.014057. S2CID  197430947.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  30. ^ Кизироглу, Мэн; Ли, Х.; Жуков А.А.; Де Гроот, PAJ; Де Гроот, Швейцария (2008). «Термионная полевая эмиссия на электроосажденных барьерах Шоттки Ni-Si» (PDF) . Твердотельная электроника . 52 (7): 1032–1038. Бибкод : 2008SSEle..52.1032K. дои : 10.1016/j.sse.2008.03.002.
  31. ^ Орлов, Дж. (2008). «Эмиссия Шоттки». Справочник по оптике заряженных частиц (2-е изд.). ЦРК Пресс . стр. 5–6. ISBN 978-1-4200-4554-3. Архивировано из оригинала 17 января 2017 г.
  32. ^ Мерфи, Эл.; Хорошо, Г.Х. (1956). «Термоэлектронная эмиссия, полевая эмиссия и переходная область». Физический обзор . 102 (6): 1464–1473. Бибкод : 1956PhRv..102.1464M. дои : 10.1103/PhysRev.102.1464.
  33. ^ Мальшуков, А.Г.; Чао, штат Калифорния (2001). «Оптотермионное охлаждение в полупроводниковых гетероструктурах». Письма о физических отзывах . 86 (24): 5570–5573. Бибкод : 2001PhRvL..86.5570M. doi : 10.1103/PhysRevLett.86.5570. ПМИД  11415303.
  34. ^ Свенссон, Р.; Холмлид, Л. (1992). «Поверхности с очень низкой работой выхода из конденсированных возбужденных состояний: ридберовское вещество цезия». Поверхностная наука . 269/270: 695–699. Бибкод : 1992SurSc.269..695S. дои : 10.1016/0039-6028(92)91335-9.
  35. ↑ Бержерон, Л. (2 августа 2010 г.). «Новый процесс преобразования солнечной энергии, открытый инженерами Стэнфорда, может модернизировать производство солнечной энергии». Стэнфордский отчет . Архивировано из оригинала 11 апреля 2011 года . Проверено 4 августа 2010 г.
  36. ^ Шведе, JW; и другие. (2010). «Усиленная фотонами термоэлектронная эмиссия для систем солнечных концентраторов». Природные материалы . 9 (9): 762–767. Бибкод : 2010NatMa...9..762S. дои : 10.1038/nmat2814. ПМИД  20676086.
  37. ^ Грин, Массачусетс; Эмери, К.; Хисикава, Ю.; Варта, В. (2011). «Таблицы эффективности солнечных батарей (версия 37)». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 19 (1): 84. дои : 10.1002/пип.1088 . S2CID  97915368.
  38. ^ Анг, Йи Син; Анг, Л.К. (2016). «Масштабирование текущей температуры для интерфейса Шоттки с непараболической дисперсией энергии». Применена физическая проверка . 6 (3): 034013. arXiv : 1609.00460 . Бибкод : 2016PhRvP...6c4013A. doi : 10.1103/PhysRevApplied.6.034013. S2CID  119221695.

Внешние ссылки