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
- 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).
- 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.
- 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.