termionisk effekt

Strømstyrken på grunn av den termioniske effekten avhenger av tre faktorer:

1. temperaturen av metallets overflate
2. arealet av overflaten
3. hvor stor energi som kreves for å frigjøre elektroner fra metallet, det vil si metallets løsrivningsarbeid

For at det skal skje en termionisk effekt må temperaturen i metalloverflaten være så høy at bevegelsesenergien til frie elektroner i metallet er større enn løsrivningsarbeidet. For de fleste metaller er løsrivningsarbeidet mellom 2 og 4 elektronvolt (eV). Sammenhengen mellom løsrivningsarbeidet W og den absolutte temperaturen T er W = kT, der k er Boltzmanns konstant. Det betyr at energien 1 eV svarer til en temperatur på omtrent 10⁴ K. Både på grunn av kvantemekanisk tunnelering og fordi noen elektroner har mye større energi enn gjennomsnittet, kreves i praksis en lavere temperatur på mellom 1200 K og 2000 K for å aktivere den termioniske effekten.

Effekten ble systematisk utforsket av Thomas Alva Edison i 1880-årene og senere undersøkt av Owen Richardson (1879–1959). Han fant at strømmen I av elektroner som sendes ut, avhenger av den absolutte temperaturen T av overflaten og løsrivningsarbeidet W etter formelen I = A · T² · e^−W/kT, som kalles Richardsons formel. Her er A en konstant kalt Richardsons konstant, som er proporsjonal med arealet av overflaten. Formelen viser at effekten øker med temperaturen og avtar med verdien av løsrivningsarbeidet.

Effekten benyttes i mange typer elektronisk utstyr, for eksempel i katodestrålerør. Emitteren er der en oppvarmet metallplate som kalles katoden. Utstyret er plassert inni enten et evakuert rør eller et rør fylt med en tynn edelgass. Hvis den varme elektroden plasseres i luft, reagerer metallet med oksygen i luften og det vil skje en langsom forbrenning som ødelegger elektroden. Men en edelgass reagerer ikke med metallet.

Den termioniske effekt utnyttes også i termionisk strømgenerator.

• elektrisk strøm
• termionisk strømgenerator