Thermoïonique

Une émission thermoïonique est un flux d'électrons provenant d'un métal ou d'un oxyde métallique, qui est génèré par les vibrations des atomes dues à l'énergie thermique quand ceux-ci parviennent à surmonter les forces électrostatiques.



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  • effet leur étude par spectroscopie d'électrons Auger. (ÆS) n'a pas permis de mettre en évidence dans ... l'émission thermoïonique est de façon classique... (source : hal.inria)

Une émission thermoïonique est un flux d'électrons provenant d'un métal ou d'un oxyde métallique, qui est génèré par les vibrations des atomes dues à l'énergie thermique quand ceux-ci parviennent à surmonter les forces électrostatiques. L'effet croit de manière importante avec l'augmentation de la température, mais est toujours présent pour les températures au-dessus du zéro absolu. La science en rapport avec ce phénomène est la thermoélectricité. Les particules chargées sont nommées thermions.

Histoire

Cet effet est rapporté en 1873 par Frederick Guthrie en Grande-Bretagne, tandis qu'il effectue un travail sur les objets chargés. Le Professeur Guthrie découvre qu'une sphère de fer chauffée au rouge et chargée négativement, perd sa charge. Il découvre aussi que cela ne se produit pas si la sphère possède une charge positive.

On peut aussi citer les travaux de J. W. Hittorf qui étudie la conductibilité de l'air au voisinage des métaux chauffés au rouge, quand il constate le même phénomène dans l'action de l'électricité sur les gaz raréfiés.

Owen Richardson travailla sur l'émission thermoïonique et reçu le prix Nobel en 1928 «Pour son travail sur le phénomène thermoïonique et plus particulièrement pour la découverte de la loi portant désormais son nom».

Détails

Dans chaque métal, il y a un ou deux électrons libres qui peuvent se déplacer d'un atome à un autre. Cela est quelquefois nommé «mer d'électrons ». Leur énergie suit une distribution statistique, au lieu d'être uniforme, et sous certaines conditions un électron pourra avoir une énergie suffisante pour partir du métal sans y revenir. L'énergie minimum indispensable pour qu'un électron puisse quitter la surface est nommée le travail de sortie, et fluctue d'un métal à l'autre. Pour les tubes électroniques, une fine couche d'oxyde est fréquemment appliquée à la surface du métal pour obtenir un travail de sortie plus bas, ce qui favorise le départ des électrons de la surface.

L'équation de Richardson-Dushmann décrit que la densité de courant émis J (A/m2) est relative à la température T par l'équation :

J = A Tˆ2 eˆ{-W \over k T}

T est la température du métal en Kelvins, W est le travail de sortie du métal en électron-volt, k est la constante de Boltzmann, et A la constante de Richardson. L'exponentielle dans l'équation montre que le courant émis augmente beaucoup avec la température et tend à devenir proportionnel au carré de celle-ci pour les températures élevées. Les équations de l'émission thermoïonique sont importantes dans la conception des semi-conducteurs.

L'effet Edison

L'effet Edison dans une diode à vide. Celle-ci est connectée de deux façons : en direct, les électrons circulent. En inverse, il n'y a aucun flux. Les flèches représentent la circulation d'électrons dans le vide.

L'effet fut re-découvert accidentellement en 1880, par Thomas Edison, tandis qu'il essayait d'expliquer la rupture du filament et le noircissement du verre des lampes incandescentes. Edison construisit une ampoule avec la surface interne recouverte d'une feuille d'étain. Lorsqu'il connectait la feuille au filament au travers d'un galvanomètre, en appliquant une tension négative à la feuille comparé au filament, rien ne se passait. Mais, lorsqu'il augmentait la tension de la feuille de façon à atteindre une tension positive comparé au filament, une petite circulation de courant était indiquée par le galvanomètre : des électrons étaient émis par le filament chaud et attirés par la feuille, fermant ainsi le circuit. Cette unidirectionalité du courant fut nommée l'effet Edison (ce terme est quelquefois utilisé comme référence à l'effet thermoïonique lui-même). Quoiqu'Edison ne voyait pas d'application pour cet effet, il le breveta en 1883, mais ne l'étudia plus.

La diode à vide

Le physicien anglais John Ambrose Fleming, tandis qu'il travaillait pour la société «Wireless Telegraphy», découvrit que l'effet Edison pouvait être utilisé pour la détection des ondes radios. Fleming développa un tube électronique à deux éléments connu sous le nom de diode à vide, qu'il breveta le 16 novembre 1904. La diode thermoïonique peut aussi être configurée comme un convertisseur différence de chaleur/énergie électrique et ce sans pièces mobiles.

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