Emisión termoiónica

Emisión termoiónica
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Concepto:Emisión de electrones por un cuerpo debida a la elevación de su temperatura.

Emisión termoiónica. Fenómeno que tiene su origen en la emisión de partículas eléctricas con carga negativa o electrones desde un filamento calentado eléctricamente hacia todas direcciones.

Historia

Inicialmente reportado en 1873 por Frederick Guthrie en Bretaña. Mientras realizaba experimentos con objetos cargados, el Profesor Bernd Schuster descubrió que calentando al rojo vivo una esfera de hierro con carga negativa ésta perdía su carga (desprendiendo iones al vacío). 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 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 tuvo éxito con ella y a lo largo de los años la fue perfeccionando para mejorar su duración, el costo de manufactura, el aprovechamiento de la luz y la preservación de las cualidades en el tiempo. Respecto a esto último, Edison se dio cuenta de que aunque el filamento incandescente se mantenía relativamente intacto hasta el momento del colapso, el vidrio de la bombilla se iba oscureciendo paulatinamente.

Asumió que "algo" se desprendía del filamento, intentaba escapar de la bombilla y quedaba estampado contra el cristal. Como Edison era más un inventor que un científico, no le dedicó mucho tiempo a explicar el fenómeno sino que se concentró en resolverlo.

Lo que hizo Edison para corregir el fenómeno fue introducir una placa metálica dentro de la bombilla la cual se polarizaba con una carga positiva. Con esto observó que se minimizaba el oscurecimiento del cristal ya que ese "algo" que se desprendía del filamento iba a dar directo a la placa cargada. Acto seguido fue donde sus amigos de la oficina de patentes e inscribió el sistema como Efecto Edison, sin detenerse a averiguar cómo podría usarse y tampoco sin pensar que en 1873 el científico inglés Frederick Guthrie ya había descrito este fenómeno llamándolo Emisión Termoiónica.

Experimento Edison

Flujo de partículas cargadas llamadas iones que proviene de una superficie de metal (u óxido de metal) causado por una energía térmica 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.

El experimento que Edison llevó a cabo para comprobar como operaba su nueva mejora fue el siguiente:

Cuando la placa tenía una carga más positiva que el filamento los electrones fluían (Electron flow), mientras que cuando la carga de la placa era más negativa que la del filamento no fluían (No current).

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Los electrones no avanzan en contra del tránsito y eso ahora todos lo sabemos. En ese momento, en cambio, significaba algo magnífico: la capacidad de tener un interruptor -que dejaba pasar corriente o la interrumpía- sin requerir un operador que moviera una palanca o presionara un botón. Este sencillo artefacto permitía accionar o detener el flujo sin más intervención que la variación en la carga de los componentes.

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.

Con lo anterior ya era inminente la llegada del tubo de vacío y de forma incipiente se comenzó a desarrollar la electrónica a nivel mundial gracias a este simple invento, lo que llevó a la creación de diferentes tubos alrededor del precursor desarrollado por Edison. Al igual que en la electrónica actual, todo se basa en la capacidad de generar unos y ceros, lo cual deriva en combinaciones más complejas que permiten hacer puertas AND y OR entre otras. Edison aportó a la electrónica, sin saberlo, el generador de unos y ceros.

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." 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).

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 está relacionada con la temperatura T por la ecuación:

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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,

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

Fuentes

  • Artículo: Definición. Disponible en: Electricidad usual. Consultado el 11 de agosto de 2013.
  • Artículo: Efecto Edison. Disponible en: Triuns wordpress. Consultado el 11 de agosto del 2013.
  • Artículo: Emisión termoiónica. Disponible en: Exiliado eterno. Consultado el 11 de agosto de 2013.
  • Artículo: Tubo de vacío. Disponible en: Fayerwayer. Consultado el 11 de agosto de 2013.