Qué es la emisión termoiónica: cómo funciona y sus aplicaciones

El fenómeno de la emisión termoiónica fue observado por primera vez por Thomas A en 1883. Observó que se puede suministrar electricidad desde un filamento a una placa de metal en una lámpara incandescente. Dentro emisión termoiónica, la emisión de electrones se puede realizar a partir de materiales calentados que son ampliamente utilizados en los tubos electrónicos convencionales como fuente de electrones en los campos de la electrónica y las comunicaciones. El mejor ejemplo de esta emisión es que los electrones pueden emitirse desde un cátodo caliente y entrar en el vacío dentro de un tubo de vacío. Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general de la emisión termoiónica, la derivación, las ventajas y sus aplicaciones.


Índice de Contenido
  1. ¿Qué es la emisión termoiónica?
    1. Cómo funciona la emisión termoiónica
    2. Diferencia b/n emisión termoiónica y efecto fotoeléctrico
    3. Derivación de la ecuación de emisión termoiónica
    4. Ventajas
    5. Aplicaciones

¿Qué es la emisión termoiónica?

La definición de emisión termoiónica es que cuando se aplica energía térmica al metal, emite electrones desde la superficie del metal y también se conoce como efecto de emisión termoiónica. El término "termiónico" se puede formar a partir de dos palabras, a saber, térmico (calor) e iones (partículas cargadas). los diagrama de emisión termoiónica se muestra a continuación.

Emisión termoiónica

¿Qué factores afectan la emisión termoiónica?

Hay tres factores que afectan esta emisión, como la temperatura de la superficie del metal, la superficie del metal y la función del metal.

La temperatura de la superficie del metal.

Cuando la temperatura de la superficie del metal es alta, la tasa de emisión de electrones desde la superficie del metal es mayor.

superficie metalica

Cuando la superficie del metal es más grande, la tasa de electrones emitidos desde la superficie del metal es alta.

Función del metal

La función de trabajo del metal es baja, por lo que la tasa de emisión de electrones desde la superficie del metal es alta.

Cómo funciona la emisión termoiónica

La emisión termoiónica ocurre principalmente en los metales cuando se calientan a temperaturas muy altas. Los metales generalmente operan bajo dos condiciones, metales de temperatura normal y metales de temperatura alta, que se analizan a continuación.

Emisión termoiónica en metales
Emisión termoiónica en metales

Metales a temperatura normal

Una vez que se proporciona la temperatura normal al metal, los electrones de valencia pueden adquirir suficiente energía y romper la conexión con el átomo principal para liberarse, lo que se denomina electrón libre.
En el metal, los electrones libres tendrán algo de energía cinética (EC) pero no contienen suficiente energía para alejarse del metal. Así, la fuerza de atracción del núcleo atómico resistirá a los electrones libres del metal que intentan escapar.

La energía de los electrones libres en el metal es pequeña en comparación con los electrones en el vacío. Por lo tanto, los electrones libres necesitan energía adicional de la fuente externa para moverse a través del vacío.

metales de alta temperatura

Una vez que se aplica la alta temperatura al metal, los electrones libres obtendrán suficiente energía y conquistarán la fuerza de atracción del núcleo atómico, que retiene los electrones libres en el metal.
Los electrones libres en el metal vencen la fuerza de atracción de los núcleos atómicos, rompen la conexión con el metal y se mueven hacia el vacío. Esta emisión se produce principalmente en los metales cuando se calientan a temperaturas muy altas.

Una vez que se suministra energía térmica al metal, los electrones libres escapan de la superficie del metal, llamados termiones. Este proceso de emisión juega un papel clave en el funcionamiento del dispositivo electrónico.

Diferencia b/n emisión termoiónica y efecto fotoeléctrico

La diferencia entre la emisión termoiónica y el efecto fotoeléctrico se analiza a continuación.

Emisión termoiónicaEfecto fotoeléctrico
En esta emisión, los electrones son emitidos desde la superficie del metal proporcionando energía térmica.En la emisión fotoeléctrica, la energía de la luz se puede emitir una vez que se emiten los electrones de la superficie del metal.
Los electrones emitidos allí se llaman termiones.Los electrones que se emiten en este efecto se denominan fotoelectrones.
En este fenómeno, se introduce una gran cantidad de energía térmica en los electrones libres mediante un proceso de calentamiento. Por lo tanto, emiten desde la superficie del metal.En este fenómeno, la emisión de electrones desde la superficie del metal se produce cuando la energía luminosa incide sobre ella.
La energía que obtienen los electrones libres para su movimiento y emisión proviene de fuentes térmicas.La energía a los electrones de emisión es proporcionada por fotones de luz.
Esta emisión puede ser causada por energía térmica o calor.Esta emisión puede ser causada por la energía electromagnética de la luz.
La emisión de electrones puede tener lugar a una temperatura específica.Los electrones se emiten a una frecuencia umbral.
A medida que aumenta la temperatura, aumentará la tasa de tiempo para la emisión de electrones.La tasa de tiempo de emisión de electrones aumenta con el aumento de la intensidad.

Derivación de la ecuación de emisión termoiónica

Durante el proceso de emisión, los electrones emitidos dependen principalmente de la superficie del metal, así como de la temperatura de la superficie del metal. Entonces, se puede expresar matemáticamente usando la ecuación de OW Richardson Dushman.

Esta ecuación indica la densidad de corriente de la emisión a la temperatura (T) y la función de trabajo (W) del material emisor. Por lo tanto, los fórmula de emisión termoiónica es;

J = en2Exp(-W/kT)

De la ecuación anterior,

'j' es la densidad de corriente de la emisión de electrones (mA/mm^2)

'T' es la temperatura de la superficie en Kelvin (K)

'A' es la constante de la placa en amperios/m2/k2

'W' es la función de trabajo del material del cátodo en J o eV

'k' es la constante de Boltzmann como 1.3806488E^-23 J K-1 o 8.6173324E-5 eV K-1

Para la mayoría de los metales, el valor constante de proporcionalidad "A" también se denomina constante de Plank y su valor es 600 000, pero puede cambiar simplemente a medida que cambian las características del metal. La siguiente ecuación determina el valor "b" que depende de las características específicas del metal. Por lo tanto, para metales particulares, es constante, aunque exhibe diferencias a través de temperaturas variables.

B = ɸe/k'

De la ecuación anterior,

'B' es la constante de Boltzmann = 1.38×10^-23 J/K

'ɸ' es la función de trabajo del metal en eV

'e' es la carga del electrón = 1.602×10^-19 coulomb.

Por lo tanto, de la ecuación anterior, podemos concluir que la emisión máxima se puede obtener debido a dos cosas, como que la función de trabajo del metal debe ser baja, de lo contrario, la temperatura de la superficie del metal debe ser alta. Si cumplimos estas dos condiciones, una insignificante. los electrones se alejarán de la banda de valencia y saltarán al vacío.

Ventajas

los beneficios de la emisión termoiónica Incluya lo siguiente.

  • Desempeña un papel clave en la física básica y la tecnología electrónica digital.
  • Este descubrimiento de emisión permite a los físicos generar haces de electrones en el vacío.
    Las fuentes termoiónicas no son costosas, por lo que se pueden operar fácilmente en condiciones de menor vacío y ofrecen una mejor luminosidad, especialmente para iluminar grandes áreas que las fuentes de emisión de campo.

Aplicaciones

los aplicaciones de la emisión termoiónica Incluya lo siguiente.

  • Se utiliza en diferentes aplicaciones, como transistores de vacío de alta frecuencia. utilizado en electrónica, electrónica de potencia, cañones de electrones utilizados en instrumentación científica, generación de rayos X y convertidores de energía a partir de energía solar y fuentes de alta temperatura.
  • Se utiliza en válvulas de diodo, tubos de vacío, tubos de rayos catódicos (CRT), microscopios electrónicos, tubos de electrones, cables electrodinámicos, etc.

¿Qué es la emisión termoiónica en los semiconductores?

En la superficie del semiconductor, si los portadores de carga contienen suficiente energía, pueden emitirse termiónicamente al vacío, de manera similar al paquete de vacío de metal.

¿Cuál es la función de la emisión termoiónica?

La emisión termoiónica es la descarga de electrones de materiales calentados que se usa ampliamente como fuente de electrones en tubos de electrones convencionales en los campos de la electrónica y las comunicaciones.

¿Cómo aumentar la tasa de emisión termoiónica?

Cuando la superficie del metal es más alta, la tasa de emisión será alta porque una superficie enorme proporciona más espacio para emitir electrones.

¿Qué produce la emisión termoiónica y dónde ocurre?

Las emisiones termoiónicas producen partículas cargadas como electrones de la superficie calentada de un metal. Esta emisión se produce en los metales cuando se calientan a temperaturas muy altas.

Así, se trata de un vistazo a la emisión termoiónica. Este proceso es importante en el proceso de diferentes dispositivos electrónicos y se puede utilizar para generar energía o enfriar. Aquí hay una pregunta para usted, ¿cuáles son las desventajas de la emisión termoiónica?

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