Emisión termoiónica

La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal) causada por una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto aumenta dramáticamente al subir la temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia este fenómeno es la termoiónica.

Historia

El fenómeno fue inicialmente reportado en 1873 por Frederick Guthrie en Bretaña. Mientras realizaba experimentos con objetos cargados, Guthrie descubrió que calentando al rojo vivo una esfera de hierro con carga negativa ésta perdía su carga (desprendiendo iones al vacío). También observó que esto no ocurría si la esfera estaba cargada positivamente. Otras investigaciones al respecto incluyeron a Hittorf (1869-1883), Goldstein (1885) y Elster and Geitel (1882-1889)

El Efecto Edison en un Diodo. Un diodo puede funcionar de dos maneras: en una de ellas hay flujo de electrones, en la otra no. Las flechas representan la corriente del electrón, no la corriente eléctrica.

El efecto fue redescubierto por Thomas Edison el 13 de febrero de 1880, mientras trataba de descubrir la razón por la cual se rompían los filamentos y por qué se oscurecía el cristal (la bombilla se ahumaba cerca de uno de los terminales del filamento) de sus lámparas incandescentes.

Edison construyó muchas bombillas experimentales, algunas con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Edison conectó el electrodo adicional al filamento de la lámpara a través de un galvanómetro. Cuando la lámina tenía una carga negativa superior a la del filamento, no fluía corriente entre el filamento y la misma porque al estar frío emitía muy pocos electrones. Sin embargo, cuando cargó la lámina positivamente, la mayoría de electrones emitidos desde el filamento caliente fueron atraídos hacia ella causando un flujo de corriente estable. Esta forma de fluido eléctrico en un solo sentido fue llamada entonces el efecto Edison (aunque el término se usa en ocasiones para referirse a la emisión termoiónica específicamente).

En este experimento, Edison descubrió también que la corriente emitida por el filamento caliente se incrementaba rápidamente al aumentar el voltaje y presentó una aplicación para un dispositivo regulador de voltaje usando este efecto el 15 de noviembre de 1883 (Patente U.S. 307,031 - la primera patente de un dispositivo electrónico). Propuso que a través del aparato podría pasar corriente suficiente para operar un telégrafo sonoro.

Fue exhibido en la Exposición Internacional de Electicidad en Philadelphia en septiembre de 1884. William Preece, un científico británico se llevó con él algunas de las bombillas de Efecto Edison, y presentó un estudio sobre ellas en 1885, donde se refería a la emisión termoiónica como el "Efecto Edison."^[1] El físico británico John Ambrose Fleming, trabajando para la compañía británica "Wireless Telegraphy", descubrió que el Efecto Edison podría ser usado para detectar ondas de radio. Fleming comenzó a desarrollar el tubo de vacío de 2 elementos, conocido como diodo, que patentó el 16 de noviembre de 1904.

El diodo termoiónico también puede ser configurado como un dispositivo que convierte una diferencia de temperatura en energía eléctrica directamente sin partes móviles (un conversor termoiónico, un tipo de generador térmico).

Owen Willans Richardson trabajó en la emisión termoiónica y recibió un premio Nobel en 1928 "por su trabajo en el fenómeno termoiónico y especialmente por el descubrimiento de la ley que posteriormente llevaría su nombre".

Ley de Richardson

En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones". Su velocidad, más que ser uniforme, se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo. Esta función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas pueden incrementarse o decrementarse disminuyendo la función de trabajo. Esta característica, que es muy deseable, puede lograrse aplicando varios recubrimientos de óxido al alambre.

En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley (demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida esta relacionada con la temperatura T por la ecuación:

donde T es la temperatura del metal en kelvin, W es la función de trabajo del metal, k es la constante de Boltzmann. La constante de proporcionalidad A, conocida como la constante de Richardson, dada por

donde m y -e son la masa y la carga del electrón, y h es la constante de Planck.

Referencias

1. ↑ "Edison" por Matthew Josephson. McGraw Hill, New York, 1959, ISBN 07-033046-8

Véase también

• Tubo de rayos catódicos
• Tubo de vacío
• Función de trabajo
• Tubo de rayos X
• Space charge
• Efecto termoeléctrico

Enlaces externos

• How vacuum tubes really work — Has a good section on thermionic emission, with equations
• Owen Richardson's Nobel lecture on thermionics, December 12, 1929. (PDF)
• Derivations of thermionic emission equations from an undergraduate lab

Nuni Dv. :*