Termoemisja


Termoemisja (emisja termoelektryczna) to zjawisko polegające na emisji elektronów z powierzchni materiału (zwykle metalu) pod wpływem wysokiej temperatury. Kiedy materiał jest podgrzewany, elektrony w jego strukturze zyskują wystarczająco dużo energii, aby pokonać barierę potencjału, czyli pracę wyjścia, i opuścić materiał, przechodząc do otaczającej przestrzeni, często próżni. W metalach zewnętrzne elektrony, zwane walencyjnymi, mogą w określonych warunkach opuścić swoje atomowe wiązania i stać się elektronami swobodnymi. Po raz pierwszy zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował Thomas Edison zapoczątkowując intensywne badania, które ostatecznie doprowadziły do wynalezienia lampy elektronowej.

Mechanizm emisji termoelektrycznej

  1. Podgrzewanie katody: W urządzeniach takich jak lampy elektronowe, katoda jest podgrzewana (najczęściej przez włókno żarzenia), co dostarcza energii termicznej elektronom w materiale katody. Elektrony są emitowane przez katodę, która zawsze jest podgrzewana za pomocą napięcia żarzenia do określonej temperatury, zależnej od materiału katody (od 850°C do 2200°C).
  2. Pokonanie bariery potencjału: W trakcie podgrzewania elektrony zyskują energię kinetyczną, która przyspiesza ich ruch w metalu. Jeśli osiągną one prędkość (energię) wystarczającą do opuszczenia atomu, przekraczają barierę energetyczną zwaną pracą wyjścia – minimalna energia potrzebna do wydostania się z powierzchni materiału do próżni.
  3. Emisja elektronów: Elektrony opuszczają powierzchnię katody i tworzą wokół niej chmurę elektronową, która umożliwia przepływ prądu między anodą a katodą. W warunkach próżni lub odpowiednio niskiego ciśnienia, elektrony mogą swobodnie przemieszczać się w kierunku anody, jeżeli w układzie jest odpowiednia różnica potencjałów (napięcie).

Zastosowania termoemisji

  • Lampy elektronowe: Emisja termoelektryczna jest podstawowym mechanizmem w lampach elektronowych, takich jak diody, triody czy pentody, gdzie elektrony emitowane przez katodę są przyciągane przez anodę, umożliwiając przepływ prądu i wykonywanie różnych funkcji, np. wzmacniania sygnałów. W prostownikach elektronowych termoemisja pozwala na przepływ prądu tylko w jednym kierunku, przekształcając prąd zmienny w stały. Wzmacniacze lampowe wykorzystują ten mechanizm do wzmacniania sygnałów audio i radiowych.
  • Mikrofalowe lampy elektronowe: W klistronach i magnetronach emisja termoelektryczna jest wykorzystywana do generowania fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości, stosowanych np. w radarach i kuchenkach mikrofalowych.

Czynniki wpływające na emisję elektronów

  • Temperatura katody: Wyższa temperatura katody zwiększa liczbę elektronów mających wystarczającą energię do uwolnienia się z katody.
  • Materiał katody: Materiały o niskiej pracy wyjścia, takie jak tlenek baru czy tor, są bardziej efektywne w emisji termoelektrycznej.
  • Stan powierzchni katody: Czystość i stan powierzchni katody również wpływają na efektywność emisji. Zanieczyszczenia mogą zwiększać pracę wyjścia i zmniejszać emisję.