פליטה תרמיונית

קובץ:Thermionicfilament.jpg

פליטה תרמיונית היא זרם של חלקיקים נושאי מטען ממשטח או מסוג אחר של מחסום פוטנציאלי חשמלי,שנגרם על ידי אנרגיית חום-רטט שמתגברת על הכוחות האלקטרוסטטיים המתנגדים.
חלקיקים נושאי מטען יכולים להיות אלקטרונים או יונים, ולפעמים נקראים תרמיונים . המטען הכולל של החלקיקים הנפלטים (חיוביים או שליליים) יהיה שווה בגודל והפוך בסימן למטען שנותר במשטח הפולט.
הדוגמא הקלאסית לפליטה תרמיונית היא פליטת של אלקטרונים מקתודת מתכת מחוממת לריק (ידוע כאפקט אדיסון), אבל משתמשים במונח "פליטה תרמיונית" לתאר כל תהליך של פליטת מטען עקב חימום, גם כאשר המטען מועבר בין שני מוצקים.
תהליך זה הוא קריטי בפעולה של מכשירים אלקטרונים רבים, ויכול לשמש לקירור או ייצור כוח.
עוצמת זרם המטענים גדל באופן קיצוני כאשר הטמפרטורה עולה, ופליטה בריק ממתכות נוטה להיות משמעותי עבור טמפרטורות מעל 10000K.

אפקט אדיסון בשפורפרת ריק, דיודה מחוברת שתי קונפיגורציות, באחת יש זרם ובשניה לא.
החיצים מסמנים תנועת אלקטרונים.

היסטוריה

התופעה נצפתה לראשונה ב 1873 ע"י דניאל לורדן בבריטניה. כאשר עבד עם חפצים טעונים, גילה לורדן שספרת ברזל לוהטת בעלת מטען שלילי, תאבד את המטען (ע"י פליטה לריק של אלקטרונים), הוא גם גילה שתופעה זו אינה קורה כאשר הספרה טעונה במטען חיובי. האפקט גולה מחדש ע"י תומס אדיסון ב 1880 , כאשר ניסה לגלות את הסיבה לשבירה של חוטי להט בנורה, והשחרה לא אחידה (כהה יותר בצד אחד של חוט הלהט) של הנורות.
אדיסון בנה מספר נורות ניסוי, חלקם עם חיווט נוסף, פלטת מתכת, או רדיד אלומיניום בתוך הנורה, שהיה מופרד חשמלית מחוט הלהט. הוא חיבר את האלטרודת מתכת הנוספת לחוט הלהט דרך גלוונומטר. כאשר לאלקטרודת המתכת היה יותר מטען שלילי מלחוט הלהט, לא עבר זרם ביניהם, מכיוון שהאלקטרודה פלטה אלקטרונים חדשים, אולם כאשר לאלקטרודה ניתן מטען חיובי ביחס לחוט הלהט האלקטרוני שנפלטו מחוט הלהט נמשכו לאלקטרודה וייצרו זרם.
זרימה חד צדדית של זרם נקראה "אפקט אדיסון" (למרות השימוש במונח לתאר פליטה תרמיונית). אדיסון מצא שהזרם בין האלקטרודה לחוט הלהט גודל במהירות עם עליית המתח.
בעקבות גילויים אלה וויליאם פריס פרסם מאמר מסכם בנושא, ואילו ג'ון פלמינג גילה שאפקט אדיסון יכול לשמש לגילוי גלי רדיו, והמשיך לפתח את שפורפרת הריק בעלת 2 אלקטרודות, שנודעה בשם "דיודה", נרשם כפטנט ב 16.11.1904. דיודה זו יכולה לשמש כמכשיר הממיר הפרשי טמפרטורות לכוח חשמלי ישירות. אוון ויליאמס ריצ'רדסון עבד עם פליטה תרמיונית וקיבל פרס נובל ב 1928 "עבוד עבודתו על תופעת התרמיונים ובמיוחד עבור גילוי החוק הנושא את שמו".

חוק ריצ'רדסון

בכל מתכת, יש אלקטרון אחד או שנים בכל אטום אשר חופשיים לנוע מאטום לאטום. לעיתים מתיחסים לזה כ "ים של אלקטרונים".
המהירויות שלהם מתפלגות באופן סטטיסטי, ולא אחיד, ומדי פעם לאלקטרון תהיה מספיק מהירות לצאת מהמתכת מבלי להמשך חזרה פנימה.
הגודל המינימלי של האנרגיה הנדרשת לאלקטרון לעזוב את המשטח נקראת "פונקציית העבודה". פונקציית העבודה היא תכונה של המתכת ועבור רוב המתכות היא בסדר גודל של כמה אלקטרון וולט. זרמים תרמיונים יכול להיות מוגברים על ידי הפחתת פונקציית העבודה. המטרה הרצויה הזאת יכולה להיות מושגת גם על ידי ציפוי חוט הלהט בשכבת תחמוצת כלשהי.
ב 1901, אוון ויליאמס ריצ'רדסון פירסם את התוצאות לניסוי שלו. הזרם מהחוט המחומם נראה כתלות אקספוננסיאלית בטמפרטורה של החוט בצורה הדומה למשוואת ארניוס (Arrhenius). הצורה המודרנית של החוק (שהודגמה על ידי סול דושמן ב 1923, ולכן לפעמים קרויה משוואת ריצ'רדסון דושמן) טוען כי הצפיפות של הזרם הנפלט J היא ביחס ישר לטמפרטורה T במשוואה:

$J=AT^{2}e^{-{\frac {W}{kT}}}$

כאשר T היא טמפרטורת המתכת בקלווין, W היא פונקציית העבודה של המתכת, k הוא קבוע בולצמן, ו A הוא קבוע יחסות הידוע כקבוע ריצ'רדסון, ומתקבל מהנוסחה:

$A={\frac {4\pi mk^{2}c}{h^{3}}}=1.20173\cdot 10^{6}$

כאשר m ו e הם המסה והמטען של האלקטרון, k - קבוע בולצמן, c - מהירות האור בריק, וh הוא קבוע פלאנק.

בגלל התלות האקספוננציאלית, הזרם גדל במהירות עם עליית הטמפרטורה כאשר $W>kT$
למשוואת הפליטה התרמיונית יש חשיבות עיקרית באלקטרוניקה, בעיקר בטכנולוגיה שמשתמשת בשפורפרות וואקום,( כגון מסכי CRT - טלוויזיות, מסכי מחשב).
בעוד ל A יש ערך תיאורטי קבוע, בפועל הערך תלוי משמעותית בחומר הנבדק.