Phát xạ nhiệt – Wikipedia104456

Cận cảnh dây tóc trên đèn phóng khí thủy ngân áp suất thấp cho thấy lớp phủ hỗn hợp phát xạ nhiệt trắng trên phần trung tâm của cuộn dây. Thường được làm bằng hỗn hợp bari, strontium và canxi oxit, lớp phủ bị bong ra khi sử dụng bình thường, cuối cùng thường dẫn đến hỏng đèn.

Một trong những bóng đèn mà Edison phát hiện ra phát xạ nhiệt. Nó bao gồm một bóng đèn thủy tinh di tản có chứa sợi carbon (hình kẹp tóc) với một tấm kim loại bổ sung được gắn vào dây dẫn từ đế. Các electron được giải phóng bởi dây tóc đã bị hút vào bản cực khi nó có điện áp dương.

Phát xạ nhiệt là dòng mang điện tích nhiệt từ bề mặt hoặc trên hàng rào năng lượng tiềm năng. Điều này xảy ra bởi vì năng lượng nhiệt được cung cấp cho chất mang vượt qua chức năng làm việc của vật liệu. Các hạt mang điện có thể là các electron hoặc ion, và trong các tài liệu cũ hơn đôi khi được gọi là thermion . Sau khi phát xạ, một điện tích có độ lớn bằng nhau và ngược dấu với tổng điện tích phát ra ban đầu bị bỏ lại trong vùng phát xạ. Nhưng nếu bộ phát được kết nối với pin, điện tích bị bỏ lại sẽ bị trung hòa bởi điện tích được cung cấp bởi pin khi các hạt mang điện phát ra di chuyển ra khỏi bộ phát, và cuối cùng bộ phát sẽ ở trạng thái như trước khi phát ra.

Ví dụ cổ điển về phát xạ nhiệt là các electron từ cực âm nóng vào chân không (còn được gọi là phát xạ điện tử nhiệt hoặc Hiệu ứng Edison ) trong ống chân không. Cực âm nóng có thể là dây tóc kim loại, dây tóc kim loại tráng hoặc cấu trúc riêng biệt của kim loại hoặc cacbua hoặc boride của kim loại chuyển tiếp. Phát xạ chân không từ kim loại có xu hướng trở nên đáng kể chỉ với nhiệt độ trên 1.000 K (730 ° C; 1.340 ° F).

Thuật ngữ "phát xạ nhiệt" hiện nay cũng được sử dụng để chỉ bất kỳ quá trình phát xạ điện tích kích thích nhiệt nào, ngay cả khi điện tích được phát ra từ vùng này sang vùng khác. Quá trình này đặc biệt quan trọng trong hoạt động của một loạt các thiết bị điện tử và có thể được sử dụng để phát điện (chẳng hạn như bộ chuyển đổi nhiệt điện và tethers điện động lực) hoặc làm mát. Độ lớn của dòng điện tích tăng đáng kể khi tăng nhiệt độ.

Lịch sử [ chỉnh sửa ]

Hiệu ứng Edison trong ống diode. Một ống diode được kết nối trong hai cấu hình; một cái có dòng điện tử và cái kia thì không. Lưu ý rằng các mũi tên biểu thị dòng điện tử, không phải dòng điện thông thường.

Bởi vì electron không được xác định là một hạt vật lý riêng biệt cho đến khi công trình năm 1897 của JJ Thomson, từ "electron" không được sử dụng khi thảo luận về các thí nghiệm diễn ra trước đó ngày.

Hiện tượng ban đầu được báo cáo vào năm 1853 bởi Edmond Becquerel. [1][2] Nó đã được phát hiện lại vào năm 1873 bởi Frederick Guthrie ở Anh. [3] Trong khi thực hiện công việc trên các vật thể tích điện, Guthrie đã phát hiện ra rằng một quả cầu sắt nóng đỏ có âm. phí sẽ mất điện tích của nó (bằng cách nào đó xả nó vào không khí). Ông cũng nhận thấy rằng điều này đã không xảy ra nếu quả cầu có điện tích dương. [4] Những người đóng góp ban đầu khác bao gồm Johann Wilhelm Hittorf (1869 Ném1883), [5] Eugen Goldstein (1885), [6] và Julius Elster và Hans Friedrich Geitel (1882 Từ1889). [7]

Hiệu ứng được Thomas Edison khám phá lại một lần nữa vào ngày 13 tháng 2 năm 1880, trong khi ông đang cố gắng khám phá lý do phá vỡ dây tóc và đen không đều ( tối nhất gần cực dương của dây tóc) của bóng đèn trong đèn sợi đốt của anh ta.

Edison đã chế tạo một số bóng đèn thử nghiệm có thêm dây, tấm kim loại hoặc giấy bạc bên trong bóng đèn tách biệt với dây tóc và do đó có thể đóng vai trò là điện cực. Ông kết nối một điện kế, một thiết bị được sử dụng để đo dòng điện (dòng điện tích), với đầu ra của điện cực kim loại phụ. Nếu giấy bạc được đặt ở một điện thế âm so với dây tóc, thì không có dòng điện nào có thể đo được giữa dây tóc và giấy bạc. Khi giấy bạc được nâng lên một điện thế dương so với dây tóc, có thể có một dòng điện đáng kể giữa dây tóc qua chân không đến giấy bạc nếu dây tóc được làm nóng đủ (bằng nguồn năng lượng bên ngoài của chính nó).

Bây giờ chúng ta biết rằng dây tóc đang phát ra các electron, bị thu hút bởi một lá tích điện dương, nhưng không phải là một điện tích âm. Dòng điện một chiều này được gọi là hiệu ứng Edison (mặc dù thuật ngữ này đôi khi được sử dụng để chỉ chính phát xạ nhiệt). Ông phát hiện ra rằng dòng điện phát ra từ dây tóc nóng tăng nhanh khi điện áp tăng và nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho thiết bị điều chỉnh điện áp sử dụng hiệu ứng vào ngày 15 tháng 11 năm 1883 (bằng sáng chế Hoa Kỳ 307,031, [8] bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho điện tử thiết bị). Ông thấy rằng dòng điện đủ sẽ đi qua thiết bị để vận hành máy phát điện báo. Điều này đã được trưng bày tại Triển lãm điện quốc tế ở Philadelphia vào tháng 9 năm 1884. William Preece, một nhà khoa học người Anh, đã mang về cho ông một số bóng đèn hiệu ứng Edison. Ông đã trình bày một bài báo về chúng vào năm 1885, trong đó ông gọi phát xạ nhiệt là "Hiệu ứng Edison". [9][10] Nhà vật lý người Anh John Ambrose Fleming, làm việc cho Công ty "Điện báo không dây" của Anh, phát hiện ra rằng Hiệu ứng Edison có thể được sử dụng để phát hiện sóng vô tuyến. Fleming tiếp tục phát triển ống chân không hai thành phần được gọi là diode, được cấp bằng sáng chế vào ngày 16 tháng 11 năm 1904. [11]

Diode nhiệt cũng có thể được cấu hình như một thiết bị chuyển đổi một chênh lệch nhiệt với năng lượng điện trực tiếp mà không cần các bộ phận chuyển động (bộ chuyển đổi nhiệt, một loại động cơ nhiệt).

Định luật của Richardson [ chỉnh sửa ]

Sau khi nhận dạng điện tử của JJ Thomson vào năm 1897, nhà vật lý người Anh Owen Willans Richardson bắt đầu làm việc với chủ đề mà sau này ông gọi là "thermionic khí thải". Ông đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 1928 "vì công trình nghiên cứu hiện tượng nhiệt điện và đặc biệt là phát hiện ra định luật mang tên ông".

Từ lý thuyết băng tần, có một hoặc hai electron trên mỗi nguyên tử trong chất rắn có thể tự do di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Điều này đôi khi được gọi chung là "biển điện tử". Vận tốc của chúng tuân theo phân phối thống kê, thay vì đồng đều, và đôi khi một electron sẽ có đủ vận tốc để thoát khỏi kim loại mà không bị kéo trở lại. Lượng năng lượng tối thiểu cần thiết để electron rời khỏi bề mặt được gọi là chức năng làm việc. Chức năng làm việc là đặc trưng của vật liệu và đối với hầu hết các kim loại là theo thứ tự của một số electronvolts. Dòng nhiệt có thể được tăng lên bằng cách giảm chức năng làm việc. Mục tiêu thường mong muốn này có thể đạt được bằng cách áp dụng các lớp phủ oxit khác nhau cho dây.

Năm 1901, Richardson đã công bố kết quả thí nghiệm của mình: dòng điện từ dây nóng dường như phụ thuộc theo cấp số nhân vào nhiệt độ của dây có dạng toán học tương tự phương trình Arrhenius. [12] Sau đó, ông đề xuất rằng định luật phát xạ nên có dạng toán học [13]

trong đó J là mật độ phát xạ T là nhiệt độ của kim loại, W là chức năng làm việc của kim loại, k là hằng số Boltzmann, và A G là một tham số được thảo luận kế tiếp.

Trong giai đoạn 1911 đến 1930, khi sự hiểu biết vật lý về hành vi của các electron trong kim loại tăng lên, các biểu thức lý thuyết khác nhau (dựa trên các giả định vật lý khác nhau) đã được đưa ra cho A G bởi Richardson , Saul Dushman, Ralph H. Fowler, Arnold Sommerfeld và Lothar Wolfgang Nordheim. Hơn 60 năm sau, vẫn chưa có sự đồng thuận giữa các nhà lý thuyết quan tâm về biểu thức chính xác của A G nhưng có sự đồng ý rằng A G được viết dưới dạng