Emisión Termiónica: Definición y aplicaciones

Contenido

• ¿Qué es la Emisión Termiónica?
• Tasa de Emisión Termiónica
• Corriente Termiónica
• Aplicaciones de la emisión termoiónica
• Emisor Termiónico
  • Tungsteno
  • Tungsteno Toriado
  • Cátodo recubierto de óxido
• Construcción de cátodos para la emisión de energía térmica
  • Cátodo calentado directamente
  • Cátodo calentado indirectamente

¿Qué es la Emisión Termiónica?

Emisión termoiónica se define como el emisión de electrones causado por un nivel suficientemente alto de energía térmica. Cuando un metal se calienta lo suficiente, la energía térmica suministrada a los electrones libres provoca la emisión de electrones de la superficie del metal. Esto ocurre porque la energía térmica suministrada al portador supera la función de trabajo del material. A temperatura ambiente promedio, la energía que poseen los electrones libres en un metal es insuficiente para iniciar la emisión termoiónica.

Todos los materiales están compuestos de átomos que a su vez consiste en un núcleo, hecho de protones y neutrones, rodeado de electrones. Estos electrones están distribuidos en varios niveles alrededor del núcleo y por lo tanto poseen diferentes niveles de energía. Ahora, imaginemos que empezamos a calentar un material en particular. La energía térmica así suministrada aumenta la energía cinética de los electrones dentro del material. Esto hace que superen la fuerza de atracción que existe entre ellos y los protones dentro de los respectivos núcleos.

Como resultado, se desprenden del material y se liberarán en el espacio que rodea al material (Figura 1). A medida que se suministra más calor, mayor es el número de electrones expulsados. Este fenómeno se conoce como emisión termiónica, es decir, emisión de iones llamados termiones debido a la energía térmica suministrada. La emisión termoiónica fue observada por primera vez por Thomas Alva Edison en 1883.

De la discusión presentada podría parecer que el número de termiones emitidos puede aumentarse hasta un gran valor con sólo aumentar la temperatura de la sustancia en cuestión. Sin embargo, esto no es del todo cierto. El hecho es que el número de termiones emitidos es limitado debido al efecto de la carga espacial, un fenómeno en el que los termiones liberados rodean el electrodo formando un escudo, impidiendo la emisión de más termiones.

Tasa de Emisión Termiónica

El número de termiones emitidos por segundo de una sustancia se conoce como la tasa de emisión termiónica. Este valor depende de la

1. Naturaleza del material
   En general, cada elemento puede caracterizarse por su configuración electrónica, es decir, por la distribución de electrones alrededor de su núcleo. Cuando hablamos de emisión termiónica, nuestro interés particular está en los electrones de valencia (electrones en la capa más exterior). Esto se debe a que son los electrones que pueden ser fácilmente liberados de la fuerza de atracción para permitir la conducción. Sin embargo, la energía que debe suministrarse difiere de un elemento a otro y se considera su energía umbral o función de trabajo.
2. La temperatura de la superficie
   Cuanto mayor es la temperatura de la sustancia, mayor es la tasa de emisión termiónica.
3. Superficie
   Si la superficie del material considerado es mayor, entonces habrá un mayor número de termiones emitidos. Esto significa que la tasa de emisión de termiones es directamente proporcional a la superficie del material.

Analizando estos factores, se puede concluir que la sustancia elegida para ser un emisor termiónico debe tener una función de trabajo baja, una superficie más grande y un punto de fusión alto. Algunos ejemplos de este tipo son metales como el tungsteno, el tungsteno torio, el tántalo, etc. y metales revestidos como el óxido de bario, el óxido de estroncio, etc.

Corriente Termiónica

El flujo de termiones da lugar al flujo de corriente conocido como corriente termiónica. Matemáticamente la ecuación termoiónica que da la densidad de corriente de los electrones se expresa como:

Dónde:

• T es la temperatura absoluta,
• kB es la constante de Boltzmann,
• ΦW es la función de trabajo,
• e es la carga de electrones
• A es una constante.

Aplicaciones de la emisión termoiónica

Emisión termoiónica forma el principio básico sobre el que operan muchos de los dispositivos utilizados en el campo de la electrónica y la comunicación. Ejemplos de aplicaciones de la emisión termoiónica son los tubos de vacío, las válvulas de diodos, los tubos de rayos catódicos, los tubos de electrones, los microscopios electrónicos, los tubos de rayos X, los convertidores termoiónicos y las ataduras electrodinámicas.

Emisor Termiónico

La estructura metálica utilizada para facilitar la emisión termoiónica se llama emisor termiónico. El emisor también se llama cátodo. El emisor o cátodo se calienta lo suficiente en el vacío o espacio evacuado para iniciar la emisión termoiónica, es decir, la emisión de electrones del cuerpo del emisor o cátodo. El metal o las sustancias metálicas utilizadas para construir un emisor termiónico deben tener tres características principales:

1. Debería tener una baja función de trabajo. Una función de trabajo baja ayuda a emitir electrones de la superficie del cátodo en una temperatura comparativamente más baja.
2. Debería tener un alto punto de fusión. La temperatura necesaria para emitir un electrón desde la superficie del cátodo es bastante alta comparada con el punto de fusión de los metales normales. Algunos de los metales comunes tienen una baja función de trabajo, pero hasta que no son adecuados para construir un emisor termoiónico. Esto se debe a que el punto de fusión más bajo causa la vaporización de los metales antes de que emitan electrones. Por ejemplo, el cobre tiene una baja función de trabajo pero no podemos usarlo como emisor termiónicoporque su punto de fusión es sólo de 810C. Así que a la temperatura de emisión termoiónica, el cobre se vaporiza en lugar de emitir electrones desde su superficie sólida.
3. Debería tener una alta resistencia mecánica. El vacío absoluto no puede crearse en el espacio que rodea al cátodo, por lo que siempre puede haber algunas moléculas gaseosas presentes en el espacio. Después de una colisión con los electrones emitidos por el cátodo, estas moléculas gaseosas producen iones positivos en el espacio. Debido a la
   farsa electrostática, estos iones positivos golpean el cátodo. Si se aplica un campo eléctrico suficientemente alto, estos bombardeos pueden ser significativamente altos para crear daños en el cátodo. Para evitar el daño del cátodo debido a las colisiones de los iones, la fuerza mecánica de los materiales utilizados para construir el cátodo debe ser lo suficientemente alta. Teniendo en cuenta las propiedades mencionadas, normalmente utilizamos, tungsteno, tungsteno torio, metales recubiertos de óxido para la construcción de cátodos de emisión térmica.

Tungsteno

• Función de trabajo = 4.52 eV
• Punto de fusión = 3650K
• Resistencia a la tracción = 100000 500000 psi a temperatura ambiente
• La temperatura de emisión Termiónica = 2327C
• Eficiencia de emisión 4 mA/vatio

El tungsteno se usaba anteriormente como material para el emisor termiónico. Tiene una alta función de trabajo, pero aún así, fue utilizado como cátodo debido a su alto punto de fusión y el material es mecánicamente muy fuerte. Debido a la función de trabajo, la temperatura de funcionamiento del cátodo de tungsteno es alta y al mismo tiempo, la eficiencia de emisión es baja ya que para mantener la alta temperatura del cátodo la energía de entrada al sistema es alta en comparación con la corriente emitida desde el cátodo.

Tungsteno Toriado

A veces la adición de un metal a otros hace que la función de trabajo de la mezcla sea menor. El tungsteno toriado es una mezcla de torio y tungsteno. El torio tiene una función de trabajo de 3,4 eV y el tungsteno tiene una función de trabajo de 4,52 eV. Cuando una pequeña cantidad de torio se mezcla con tungsteno para hacer tungsteno torsionado, la función de trabajo se reduce a 2,63 eV. Esto causa la temperatura de trabajo de la emisión termoiónica a 1700C cuando el cátodo está hecho de tungsteno toriado. Así, la entrada de energía para calentar los elementos del cátodo se reduce, por lo tanto, la eficiencia de la emisión aumenta en consecuencia.

Cátodo recubierto de óxido

Aquí, el cátodo para la emisión termoiónica está hecho de cinta de níquel recubierta de bario y óxido de estroncio. El recubrimiento de óxido reduce la función de trabajo del sistema a un valor bastante bajo. Es aproximadamente 1,1 eV. La baja función de trabajo causa una baja temperatura de operación y una alta eficiencia de emisión del sistema. La temperatura de operación y la eficiencia de emisión termoiónica del sistema son 750C y 200 mA/vatio respectivamente.

Construcción de cátodos para la emisión de energía térmica

El cátodo o emisor termoiónico se coloca dentro de un contenedor de vacío. Así que, la única forma posible de calentar el cátodo es el calentamiento eléctrico. Hay dos tipos de calentamiento eléctrico utilizados en la emisión termoiónica, uno es el calentamiento directo y el otro es el calentamiento indirecto.

Cátodo calentado directamente

En un cátodo calentado directamente, el cátodo está hecho en forma de filamento. El filamento está normalmente hecho de níquel recubierto de óxido. Cuando la corriente de la fuente de entrada pasa directamente a través del filamento, se calienta y emite electrones.

Un método de calentamiento directo es más eficiente ya que la corriente de entrada (energía de entrada) calienta directamente el cátodo de filamentos para emitir electrones. Como el calentamiento es rápido, el tiempo de inicio de la emisión termoiónica es rápido y al mismo tiempo, es un proceso eficiente. Como el emisor se calienta directamente, cualquier fluctuación en la fuente de entrada afectará a la emisión. Esta es la principal desventaja de la emisión termoiónica de cátodo calentado directamente.

Cátodo calentado indirectamente

Aquí, el filamento calefactor y la superficie emisora están separados y están aislados el uno del otro. El filamento está rodeado por una fina manga metálica recubierta de óxido. La corriente de entrada posee a través del filamento calentador y por lo tanto calienta la manga metálica desde donde se emiten los electrones. La mayoría de los modernos emisores termoiónicos son cátodos calentados indirectamente esto es debido a los siguientes hechos.

1. El potencial de emisión y el potencial de calentamiento están separados. El emisor puede conectarse a cualquier potencial requerido, independientemente del potencial de calentamiento.
2. Las fluctuaciones en el potencial de calentamiento de entrada no afectan a la emisión.
3. La corriente alterna también puede utilizarse como corriente de calentamiento del sistema.