Efecto termoionico

Introducción
Es bien sabido que cuando un metal es calentado a altas temperaturas emite electrones, como en el caso de un filamento en un tubo electrónico.
La emisión termoiónica es el flujo de partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal, causada por una energía termal vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie.El fenómeno fue inicialmente reportado en 1873 por Frederick Guthrie en Bretaña. Mientras realizaba experimentos con objetos cargados, Guthrie descubrió que calentando al rojo vivo una esfera de hierro con carga negativa, esta perdía su carga. El efecto fue redescubierto en 1880, mientras trataba de descubrir la razón por la cual se rompían los filamentos y por qué se oscurecía el cristal desus lámparas incandescentes. Owen Williams Richardson recibió un premio Nobel en 1928 por su trabajo en el fenómeno y especialmente por el descubrimiento que posteriormente llevaría su nombre.

En cualquier metal existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. Su velocidad se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá lavelocidad suficiente para escapar del metal. La cantidad 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 electron-volts.

Para observar corriente termoiónica, tanto el emisor como el detector se deben encontrar en un contenedor evacuado y unaaceleración de campo eléctrico ha de ser proveída. Sin embargo, los campos eléctricos presentes y la configuración geométrica del filamento y el cátodo complican la interpretación del proceso de emisión en sí mismo.

En 1901 Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, depende exclusivamente de la temperatura delalambre. La forma moderna de esta ley, demostrada en 1923 por Saul Dushman, y por lo tanto llamada la ecuación de Richardson-Dushman, establece que la densidad de corriente emitida J está relacionada con la temperatura T por la ecuación:
(1)
con la constante de Richardson

y es la función de trabajo en volts.

La ecuación de Richardson muestra que la emisión termoiónica es dominada por unadependencia exponencial de la temperatura. Esta dependencia es tan fuerte que el factor T2 es completamente enmascarado y no puede ser verificando experimentalmente. Aún más, la constante A0 observada experimentalmente rara vez concuerda con el valor teórico. Esto se debe a las simples suposiciones usadas en la derivación y la negligencia de efectos como:
1. Dependencia de la temperatura envariaciones de . Ya que si

entonces

donde la exponencial puede fácilmente alterar el valor de A0 por factores de 2, o mayores.

2. Reflexiones mecánico cuánticas de los electrones en la superficie. Estas equivalen a modificaciones en la barrera de potencial asumida.
3. No-uniformeidad en la superficie emisora, ya que en realidad medimos

Considerando las modificaciones a la densidad decorriente emitida J0 debida a la aplicación de campos externos.
Para un campo retardador, el potencial de barrera que el electrón debe sobrepasar se ve incrementado por el potencial retardador V0, así
(2)
tenemos una reducción exponencial de la corriente con un potencial retardador incrementante.

Un campo acelerante, por otro lado puede bajar la barrera de potencial en únicamente una pequeñacantidad. Para una geometría plana tenemos
(3)
donde E es el campo eléctrico en volts por metro y Js es la corriente de saturación. Debido al factor 0.44/T, el incremento en la corriente emitida es muy pequeño; en una gráfica semilogarítmica es proporcional a la raíz cuadrada del potencial acelerador aplicado.

Se encuentra que los valores medidos de la corriente termoiónica son...