Terminen elektroniemissio

Termisellä elektroniemissiolla tarkoitetaan varattujen hiukkasten virtausta metalliselta tai metallioksidiselta pinnalta lämpövärähtelyn voittaessa elektronit pinnalla pitävät sähköiset voimat. Ilmiö voimistuu huomattavasti lämpötilan noustessa, mutta on aina läsnä lämpötilan ollessa suurempi kuin absoluuttinen nollapiste. Ilmiötä tutkivaa tieteenalaa kutsutaan termioniikaksi. Termisessä ilmiössä pinnalta irronneita varattuja hiukkasia kutsutaan termioneiksi.

Historiaa

Ilmiön raportoi ensimmäisenä Frederick Guthrie Isossa Britanniassa vuonna 1873. Tehdessään töitä varattujen kappaleiden kanssa professori Guthrie huomasi, että negatiivisesti varattu kuumanpunainen rautapallo menetti varaustaan. Hän huomasi myös, että näin ei tapahtunut, jos pallo oli varautunut positiivisesti. Muita aiheeseen perehtyneitä hänen aikalaisiaan olivat Hittorf (1869–1883), Goldstein (1885) ja Elster ja Geitel (1882–1889).

Owen Richardson työskenteli termisen emission parissa ja sai työstään Nobelin palkinnon vuonna 1928. Hänen ansioikseen luettiin "työ termisen ilmiön parissa ja erityisesti hänen mukaansa nimetyn lain löytäminen".

Yksityiskohtia

Jokaisessa metalliatomissa on kutakin atomia kohti yksi tai kaksi sellaista elektronia, jotka ovat vapaita liikkumaan atomista toiseen. Näiden vapaiden elektronien muodostamaa elektronipuuroa kutsutaan joskus "elektronien mereksi". Elektronien nopeudet noudattavat pikemminkin tilastollista jakaumaa kuin tasaista, ja silloin tällöin elektronilla on tarpeeksi nopeutta poistuakseen metallista ilman, että se tulee imaistuksi takaisin sisään. Minimienergiaa, jonka elektroni tarvitsee irrotakseen pinnalta, kutsutaan irrotustyöksi, ja se on jokaiselle metallille omakohtainen. Tyhjiöputkien elektrodit päällystetään usein ohuella oksidipinnoitteella, sillä elektronien on helpompi irrota oksidin pinnalta.

Elektronin irrotustyö metallin pinnasta on keskeinen käsite myös tutkittaessa ns. valosähköistä ilmiötä. Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 muiden käänteentekevien töidensä ohella ilmiötä koskevan tutkielman. Ilmiötä koskevasta työstään hän sai myöhemmin Nobelin palkinnon.

Richardsonin laki tai Richardson-Dushmann -yhtälö lausuu, että termisesti emittoitu sähkövirrantiheys J (A/m²) riippuu lämpötilasta T:

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

missä T on metallin lämpötila kelvineinä, W on metallin irrotustyö eli työfunktio, k on Boltzmannin vakio ja A on Richardsonin vakio. Yhtälössä esiintyvä eksponentti kertoo, että emittoitu virta lisääntyy erittäin nopeasti lämpötilan kasvaessa.

Termisen emission yhtälöt ovat tärkeitä puolijohteiden suunnittelussa.

Edisonin ilmiö

Edisonin ilmiö diodituubissa. Diodiputki on kytkettynä kahdella eri tavalla, toisessa elektronit virtaavat ja toisessa eivät. Huomaa, että nuolet esittävät elektronien virtaa, eivät tavallista virtaa.

Ilmiön huomasi vahingossa Thomas Edison 13.2.1880, kun hän yritti löytää syytä lamppujen hehkulankojen rikkoutumiselle ja lamppujen epäsäännölliselle tummenemiselle. Edison rakensi lampun, jonka sisäpintaa peitti metallifolio. Hän kytki folion galvanometrin kautta lampun hehkulankaan. Kun foliolle annettiin negatiivisempi varaus kuin hehkulangalle, virta ei kulkenut folion ja hehkulangan välillä, koska folio emittoi vain vähän elektroneja. Kun foliolle annettiin positiivisempi varaus kuin hehkulangalle, folio alkoi vastaanottaa kuuman hehkulangan emittoimia elektroneja, aiheuttaen sähkövirran kulkemisen folion ja hehkulangan välillä. Yksisuuntaista virran kulkemista alettiin kutsua Edisonin ilmiöksi.

Edison ei löytänyt ilmiölle käytännön sovellutuksia. Vaikka hän patentoi sen vuonna 1883, hän ei tutkinut sitä sen enempää.

Tyhjiödiodiputki

Brittiläinen fyysikko John Ambrose Fleming huomasi brittiläiselle "langaton lennätin" -yritykselle työskennellessään, että Edisonin ilmiötä voitaisiin käyttää radioaaltojen tunnistamiseen. Fleming kehitteli kaksiosaisen tyhjiöputken, diodin, jonka hän patentoi 16.11.1904.

Termistä diodia voidaan käyttää myös laitteena, joka muuntaa lämpötilaeron sähkövoimaksi suoraan ilman liikkuvia osia.

Kun diodin elektrodien välille sijoitetaan niin sanottu hila, saadaan aikaan triodi. Hilan ohjausjännitettä säätämällä voidaan merkittävästi vaikuttaa elektrodien välisen virran voimakkuuteen. Ennen transistorien kehittämistä tämäntyyppiset elektroniputket muodostivat elektroniikan keskeisen perustan.

Katso myös

• katodisädeputki
• katodi