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Glühelektrischer Effekt

Der Glühelektrische Effekt oder auch die Thermionische Emission ist die Freisetzung von Elektronen aus einer Elektrode bzw. Kathode aufgrund ihrer Temperatur (Freisetzung von Energie, die durch Wärme geliefert wird). Dies liegt daran, dass die dem Ladungsträger zugeführte Wärmeenergie die Austrittsarbeit der Elektronen erleichtert. Die Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein und werden in der älteren Literatur manchmal als Thermionen bezeichnet. Nach der Emission bleibt im emittierenden Bereich zunächst eine Ladung zurück, deren Größe und Vorzeichen der emittierten Gesamtladung entgegengesetzt ist. Wenn der Emitter jedoch an eine Batterie angeschlossen ist, wird die zurückgelassene Ladung durch die von der Batterie gelieferte Ladung neutralisiert, wenn sich die emittierten Ladungsträger vom Emitter entfernen, und schließlich befindet sich der Emitter in demselben Zustand wie vor der Emission. Das klassische Beispiel für thermionische Emission sind Elektronen von einer heißen Kathode in ein Vakuum (auch als thermische Elektronenemission oder Edison-Effekt bekannt) in einer Vakuumröhre. Die Heißkathode kann ein Metallfilament, ein beschichtetes Metallfilament oder eine separate Struktur aus Metall, Carbiden oder Boriden von Übergangsmetallen sein. Die Vakuumemission von Metallen wird tendenziell nur bei Temperaturen über 1.000 K (730 ° C) signifikant. Der Begriff "thermionische Emission" wird auch verwendet, um sich auf jeden thermisch angeregten Ladungsemissionsprozess zu beziehen, selbst wenn die Ladung von einem Festkörperbereich in einen anderen emittiert wird. Dieser Prozess ist für den Betrieb einer Vielzahl elektronischer Geräte von entscheidender Bedeutung und kann zur Stromerzeugung (z. B. thermionische Wandler und elektrodynamische Kabel) oder zur Kühlung verwendet werden. Die Größe des Ladungsflusses nimmt mit zunehmender Temperatur dramatisch zu.

Die bekanntesten zwei Anwendungen aus dem glühelektrischen Effekt ist die Elektronenstrahlröhre, die unter anderem ein Bestandteil alter Bildröhrenfernseher ist, sowie die Glühbirne.

Geschichte

Da das Elektron bis zur Arbeit von J. J. Thomson im Jahr 1897 nicht als separates physikalisches Teilchen identifiziert wurde, wurde das Wort "Elektron" bei der Erörterung von Experimenten, die vor diesem Datum stattfanden, nicht verwendet. Das Phänomen wurde ursprünglich 1853 von Edmond Becquerel berichtet. Es wurde 1873 von Frederick Guthrie in Großbritannien wiederentdeckt. Während der Arbeit an geladenen Objekten entdeckte Guthrie, dass eine glühende Eisenkugel mit einer negativen Ladung ihre Ladung verlieren würde (indem sie sie irgendwie in die Luft entlädt). Er fand auch heraus, dass dies nicht geschah, wenn die Kugel eine positive Ladung hatte. Andere frühe Mitwirkende waren Johann Wilhelm Hittorf (1869–1883), Eugen Goldstein (1885), Julius Elster und Hans Friedrich Geitel (1882–1889). Der Effekt wurde am 13. Februar 1880 von Thomas Edison wiederentdeckt, als er versuchte, den Grund für den Bruch von Lampenfilamenten und die ungleichmäßige Schwärzung (am dunkelsten in der Nähe des positiven Endes des Filaments) der Glühbirnen in seinen Glühlampen herauszufinden.

Die Richardson-Gleichung

Nach der Identifizierung des Elektrons durch J. J. Thomson im Jahr 1897 begann der britische Physiker Owen Willans Richardson mit der Arbeit an dem Thema, das er später "thermionische Emission" nannte. Er erhielt 1928 einen Nobelpreis für Physik "für seine Arbeit über das thermionische Phänomen und insbesondere für die Entdeckung des nach ihm benannten Gesetzes". Nach der Theorie zur elektronischen Band Struktur gibt es ein oder zwei Elektronen pro Atom in einem Festkörper, die sich frei von Atom zu Atom bewegen können. Dies wird manchmal als "Elektronenmeer" bezeichnet. Ihre Geschwindigkeiten folgen einer statistischen Verteilung, anstatt gleichmäßig zu sein, und gelegentlich hat ein Elektron genug Geschwindigkeit, um aus dem Metall auszutreten, ohne zurückgezogen zu werden. Die minimale Energiemenge, die ein Elektron benötigt, um eine Oberfläche zu verlassen, wird als Austrittsarbeit bezeichnet. Die Austrittsarbeit ist für das Material charakteristisch und liegt für die meisten Metalle in der Größenordnung von mehreren Elektronenvolt. Thermionische Ströme können durch Verringern der Austrittsarbeit erhöht werden. Dieses oft gewünschte Ziel kann durch Aufbringen verschiedener Oxidbeschichtungen auf den Draht erreicht werden. 1901 veröffentlichte Richardson die Ergebnisse seiner Experimente: Der Strom aus einem erhitzten Draht schien exponentiell von der Temperatur des Drahtes abhängig zu sein, mit einer mathematischen Form ähnlich der Arrhenius-Gleichung. Später schlug er vor, dass das Emissionsgesetz die mathematische Form haben sollte

J = AT²e × W_e/k_BT

wobei J die Emissionsstromdichte ist, T die absolute Temperatur des Metalls, We die Austrittsarbeit des Metalls, kB die Boltzmann-Konstante und A die Richardson-Konstante.

Quizfragen zum Thema

1. Was ist die Boltzmann-Konstante?

   Die von Max Planck nach Ludwig Boltzmann benannte Konstante ist ein Skalenfaktor, der es ermöglicht, Energie- mit Temperaturskalen zu verknüpfen. Sie ist in der statischen Mechanik unverzichtbar.

2. Was ist die Austrittsarbeit?

   Als Austrittsarbeit wird die Kraft bezeichnet, die ein Elektron benötigt, um die elektrostatische Anziehungskraft der Kristallstruktur in einer Metalloberfläche zu überwinden.

3. Was ist die „absolute Temperatur“?

   Die absolute oder auch thermodynamische Temperatur ist eine sich auf den absoluten Nullpunkt beziehende Temperaturskala, deren Maßeinheit Kelvin ist.

4. Warum wird für den glühelektrischen Effekt ein Vakuum benötigt?

   Wäre eine Elektronenröhre mit Gas gefüllt, entstünde eine Wechselwirkung mit den erzeugten Elektronen.

5. Nenne mindestens drei Oxide von Elementen der Periodentafel, die zur Beschichtung von Kathoden in Elektronenröhren verwendet werden.

   Barium, Strontium, Calcium, Aluminium, Thorium

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