तापायनिक उत्सर्जन

पारा-वाष्प लैम्प गैस डिस्आवेश लैंप में विद्युत तन्तु का क्लोज़अप, कुंडली के मध्य भाग पर सफेद तापायनिक उत्सर्जन मिश्रण कोटिंग दिखा रहा है। सामान्यतः बेरियम , स्ट्रोंटियम और कैल्शियम ऑक्साइड के मिश्रण से बना, कोटिंग सामान्य उपयोग के माध्यम से दूर हो रही है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः दीपक की विफलता होती है।

उन बल्बों में से एक जिसके साथ एडिसन ने तापायनिक उत्सर्जन की खोज की थी। इसमें कार्बन इलेक्ट्रिकल फिलामेंट (हेयरपिन शेप) वाला एक खाली ग्लास लाइट बल्ब होता है, जिसमें बेस से निकलने वाले तारों से जुड़ी एक अतिरिक्त मेटल प्लेट होती है। फिलामेंट द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉन ों को प्लेट में आकर्षित किया गया था जब उसमें सकारात्मक वोल्टेज था।

तापायनिक उत्सर्जन जिसे तापीय इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन या एडिसन प्रभाव भी कहा जाता है, विद्युत धारक से इसकी तापमान के कारण इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने की प्रक्रिया होती है जो ऊष्मा द्वारा प्रदान की गई ऊर्जा को उत्सर्जित करती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि आवेश वाहक को दी गई ऊष्मीय ऊर्जा सामग्री के कार्य फलन पर प्रभावी हो जाती है। आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन या आयन स्रोत हो सकते हैं, जिन्हे प्राचीन साहित्य में कभी-कभी थर्मियंस के रूप में जाना जाता है। उत्सर्जन के उपरांत, एक आवेश जो उत्सर्जित कुल आवेश के परिमाण के बराबर और चिह्न के विपरीत होता है, प्रारंभ में उत्सर्जक क्षेत्र में पीछे रह जाता है। परंतु यदि उत्सर्जक बैटरी से जुड़ा होता है, तो उत्सर्जित चार्ज वाहकों के दूर हो जाने से बैटरी द्वारा आपूर्ति किया गया आवेश, शेष आवेश को निष्प्रभावी कर देता है, और अंततः उत्सर्जक, उत्सर्जन से पूर्व की स्थिति में बना रहता है।

तापायनिक उत्सर्जन का पारंपरिक उदाहरण, निर्वात-नलिका में किसी गर्म ऋणाग्र से इलेक्ट्रॉनों का निर्वात में उत्सर्जन है। गर्म ऋणाग्र किसी धातु की तार, किसी धातु की तार पर लेपित तरल पदार्थ, या पारगम्य धातु या अवकर्बाइड या बोराइड की अलग संरचना हो सकती है। धातुओं से निर्वात उत्सर्जन केवल 1,000 K (730 °C; 1,340 °F) से ऊपर के तापमानों पर महत्वपूर्ण होता है।

यह प्रक्रिया विभिन्न प्रकार के विद्युतकीय उपकरणों के संचालन में महत्वपूर्ण रूप से उपयोगी है और इसका उपयोग विद्युत उत्पादन जैसे तापायनिक परिवर्तक और विद्युत् गतिक बंधक या शीतलन के लिए किया जा सकता है। बढ़ते तापमान के साथ आवेश प्रवाह का परिमाण नाटकीय रूप से बढ़ जाता है।

'तापायनिक उत्सर्जन' शब्द का उपयोग अब किसी भी ताप-उत्तेजित आवेश उत्सर्जन प्रक्रिया को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है, भले ही आवेश एक ठोस-स्थिति भौतिकी से दूसरे ठोस-स्थिति क्षेत्र में उत्सर्जित हो।

इतिहास

डायोड ट्यूब में एडिसन प्रभाव। एक डायोड ट्यूब दो विन्यासों में जुड़ा हुआ है; एक में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है और दूसरे में नहीं। (तीर इलेक्ट्रॉन करंट का प्रतिनिधित्व करते हैं, पारंपरिक करंट का नहीं।)

क्योंकि 1897 में जे जे थॉमसन के कार्य तक इलेक्ट्रॉन को एक अलग भौतिक कण के रूप में पहचाना नहीं गया था, इस तिथि से पहले हुए प्रयोगों पर चर्चा करते समय इलेक्ट्रॉन शब्द का उपयोग नहीं किया गया था।

इस घटना की शुरुआत 1853 में एडमंड बेकरेल ने की थी। इसे 1873 में ब्रिटेन में फ्रेडरिक गुथरी द्वारा फिर से खोजा गया था। आवेशित वस्तुओं पर काम करते समय, गुथरी ने पाया कि एक ऋणात्मक आवेश वाला लाल-गर्म लोहे का गोला अपना आवेश खो देगा (किसी तरह इसे हवा में छोड़ कर)। उन्होंने यह भी पाया कि यदि गोले पर धनात्मक आवेश होता है तो ऐसा नहीं होता है। अन्य शुरुआती योगदानकर्ताओं में जोहान विल्हेम हिटटॉर्फ (1869-1883), यूजेन गोल्डस्टीन (1885), और जूलियस एलस्टर और हंस फ्रेडरिक गीटेल (1882-1889)। 13 फरवरी, 1880 को थॉमस एडिसन द्वारा इस प्रभाव को फिर से खोजा गया, जब वह अपने गरमागरम लैंप में बल्बों के लैंप फिलामेंट्स के टूटने और असमान ब्लैकनिंग (फिलामेंट के सकारात्मक टर्मिनल के पास सबसे गहरा) के कारण की खोज करने की कोशिश कर रहे थे।

एडिसन ने बल्ब के अंदर एक अतिरिक्त तार, धातु की प्लेट, या पन्नी के साथ कई प्रायोगिक लैंप बल्ब बनाए जो फिलामेंट से अलग थे और इस प्रकार एक इलेक्ट्रोड के रूप में काम कर सकते थे। उन्होंने अतिरिक्त धातु इलेक्ट्रोड के आउटपुट के लिए एक बिजली की शक्ति नापने का यंत्र , वर्तमान (आवेश के प्रवाह) को मापने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक उपकरण जोड़ा। यदि पन्नी को फिलामेंट के सापेक्ष नकारात्मक क्षमता पर रखा गया था, तो फिलामेंट और पन्नी के बीच कोई औसत दर्जे का करंट नहीं था। जब पन्नी को फिलामेंट के सापेक्ष एक सकारात्मक क्षमता के लिए उठाया गया था, तो फिलामेंट के बीच वैक्यूम के माध्यम से पन्नी के बीच एक महत्वपूर्ण वर्तमान हो सकता है यदि फिलामेंट को पर्याप्त रूप से गर्म किया गया हो (अपने स्वयं के बाहरी शक्ति स्रोत द्वारा)।

अब हम जानते हैं कि फिलामेंट इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन कर रहा था, जो सकारात्मक रूप से आवेशित पन्नी की ओर आकर्षित थे, परंतु ऋणात्मक रूप से आवेशित नहीं थे। इस एकतरफा प्रवाह को एडिसन प्रभाव कहा जाता था (हालांकि इस शब्द का प्रयोग कभी-कभी स्वयं ऊष्मीय उत्सर्जन को संदर्भित करने के लिए किया जाता है)। उन्होंने पाया कि गर्म फिलामेंट द्वारा उत्सर्जित धारा बढ़ते वोल्टेज के साथ तेजी से बढ़ी, और 15 नवंबर, 1883 को प्रभाव का उपयोग करके वोल्टेज-विनियमन डिवाइस के लिए एक पेटेंट आवेदन दायर किया (यू.एस. पेटेंट 307,031, इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस के लिए पहला अमेरिकी पेटेंट)। उन्होंने पाया कि टेलीग्राफ साउंडर को संचालित करने के लिए डिवाइस के माध्यम से पर्याप्त करंट प्रवाहित होगा। यह सितंबर 1884 में फिलाडेल्फिया में अंतर्राष्ट्रीय विद्युत प्रदर्शनी में प्रदर्शित किया गया था। विलियम प्रीस , एक ब्रिटिश वैज्ञानिक, एडिसन प्रभाव के कई बल्बों को अपने साथ वापस ले गए। उन्होंने 1885 में उन पर एक पेपर प्रस्तुत किया, जहां उन्होंने तापायनिक उत्सर्जन को एडिसन प्रभाव के रूप में संदर्भित किया। ब्रिटिश वायरलेस टेलीग्राफी कंपनी के लिए काम कर रहे ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी जॉन एम्ब्रोस फ्लेमिंग ने पता लगाया कि एडिसन प्रभाव का उपयोग रेडियो तरंगों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। फ्लेमिंग ने डायोड #वैक्यूम ट्यूब डायोड के रूप में जानी जाने वाली दो-तत्व वाली वैक्यूम ट्यूब विकसित की, जिसे उन्होंने 16 नवंबर, 1904 को पेटेंट कराया। तापायनिक डायोड को एक ऐसे उपकरण के रूप में भी कॉन्फ़िगर किया जा सकता है जो गर्मी के अंतर को बिना हिले हुए हिस्सों (एक तापायनिक कन्वर्टर, एक प्रकार का इंजन गर्म करें ) के बिना सीधे विद्युत शक्ति में परिवर्तित करता है।

रिचर्डसन का नियम

1897 में जे जे थॉमसन की इलेक्ट्रॉन की पहचान के बाद, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी ओवेन विलन्स रिचर्डसन ने इस विषय पर काम करना शुरू किया जिसे उन्होंने बाद में तापायनिक उत्सर्जन कहा। उन्हें 1928 में थर्मोनिक घटना पर उनके काम के लिए और विशेष रूप से उनके नाम पर कानून की खोज के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला।

बैंड सिद्धांत से, एक ठोस में प्रति परमाणु एक या दो इलेक्ट्रॉन होते हैं जो परमाणु से परमाणु में जाने के लिए स्वतंत्र होते हैं। इसे कभी-कभी सामूहिक रूप से इलेक्ट्रॉनों के समुद्र के रूप में संदर्भित किया जाता है। उनके वेग एक समान होने के बजाय एक सांख्यिकीय वितरण का पालन करते हैं, और कभी-कभी एक इलेक्ट्रॉन के पास वापस खींचे बिना धातु से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त वेग होता है। सतह को छोड़ने के लिए एक इलेक्ट्रॉन के लिए आवश्यक ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा को कार्य फलन कहा जाता है। कार्य कार्य सामग्री की विशेषता है और अधिकांश धातुओं के लिए कई इलेक्ट्रॉन वोल्ट के क्रम पर है। कार्य फलन को घटाकर ऊष्मीय धाराओं को बढ़ाया जा सकता है। तार पर विभिन्न ऑक्साइड कोटिंग्स लगाने से यह अक्सर-वांछित लक्ष्य प्राप्त किया जा सकता है।

1901 में ओवेन विलंस रिचर्डसन ने अपने प्रयोगों के परिणाम प्रकाशित किए: एक गर्म तार से धारा अरहेनियस समीकरण के समान गणितीय रूप से तार के तापमान पर तेजी से निर्भर करती प्रतीत हुई। बाद में, उन्होंने प्रस्तावित किया कि उत्सर्जन नियम का गणितीय रूप होना चाहिए

$J=A_{\mathrm {G} }T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}$

जहाँ J उत्सर्जन वर्तमान घनत्व है, T धातु का तापमान है, W धातु का कार्य फलन है, k बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है, और A_G आगे चर्चा की गई एक पैरामीटर है।

1911 से 1930 की अवधि में, जैसे-जैसे धातुओं में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की भौतिक समझ बढ़ी, A के लिए विभिन्न सैद्धांतिक अभिव्यक्तियाँ (विभिन्न भौतिक मान्यताओं के आधार पर) सामने रखी गईं।_G, रिचर्डसन, शाऊल दुश्मन , राल्फ एच. फाउलर, अर्नोल्ड सोमरफेल्ड और लोथर वोल्फगैंग नॉर्डहाइम द्वारा। 60 से अधिक वर्षों के बाद, ए की सटीक अभिव्यक्ति के रूप में रुचि रखने वाले सिद्धांतकारों के बीच अभी भी कोई सहमति नहीं है_G, परंतु इस बात पर सहमति है कि ए_G प्रपत्र में लिखा होना चाहिए

$A_{\mathrm {G} }=\;\lambda _{\mathrm {R} }A_{0}$

जहां एल_R एक सामग्री-विशिष्ट सुधार कारक है जो आम तौर पर 0.5 क्रम का होता है, और A₀ द्वारा दिया गया एक सार्वभौमिक स्थिरांक है

$A_{0}={4\pi mk^{2}q_{e} \over h^{3}}=1.20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}}$

जहां एम और $-q_{e}$ क्रमशः एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान और प्राथमिक आवेश है, और h प्लैंक स्थिरांक है।

वास्तव में, लगभग 1930 तक इस बात पर सहमति बन गई थी कि इलेक्ट्रॉनों की तरंग-जैसी प्रकृति के कारण, कुछ अनुपात r_av बाहर जाने वाले इलेक्ट्रॉनों को प्रतिबिंबित किया जाएगा क्योंकि वे उत्सर्जक सतह पर पहुंच गए हैं, इसलिए उत्सर्जन वर्तमान घनत्व कम हो जाएगा, और λ_R मूल्य होगा (1-r_av). इस प्रकार, कभी-कभी थर्मोनिक उत्सर्जन समीकरण को फॉर्म में लिखा हुआ देखता है

$J=(1-r_{\mathrm {av} })\lambda _{B}A_{0}T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}$.

हालांकि, मॉडिनोस द्वारा एक आधुनिक सैद्धांतिक उपचार मानता है कि उत्सर्जक सामग्री के बैंड सिद्धांत | बैंड-संरचना को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए। यह एक दूसरा सुधार कारक λ पेश करेगा_B λ में_R, दे रहा है $A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}$. सामान्यीकृत गुणांक ए के लिए प्रायोगिक मूल्य_G आम तौर पर ए के परिमाण के क्रम के होते हैं₀, परंतु अलग-अलग उत्सर्जक सामग्रियों के बीच महत्वपूर्ण रूप से भिन्न होते हैं, और एक ही सामग्री के विभिन्न क्रिस्टलोग्राफिक चेहरा के बीच भिन्न हो सकते हैं। कम से कम गुणात्मक रूप से, इन प्रायोगिक अंतरों को λ के मान में अंतर के कारण समझाया जा सकता है_R.

इस क्षेत्र के साहित्य में काफी भ्रम मौजूद है क्योंकि: (1) कई स्रोत ए के बीच अंतर नहीं करते हैं_G और ए₀, परंतु बस प्रतीक ए (और कभी-कभी रिचर्डसन स्थिरांक नाम) का अंधाधुंध उपयोग करें; (2) यहाँ सुधार कारक के साथ और बिना λ द्वारा निरूपित समीकरण_R दोनों को एक ही नाम दिया गया है; और (3) इन समीकरणों के लिए विभिन्न प्रकार के नाम मौजूद हैं, जिनमें रिचर्डसन समीकरण, दुश्मन का समीकरण, रिचर्डसन-दुश्मन समीकरण और रिचर्डसन-लाउ-दुशमन समीकरण शामिल हैं। साहित्य में, प्रारंभिक समीकरण कभी-कभी ऐसी परिस्थितियों में दिया जाता है जहां सामान्यीकृत समीकरण अधिक उपयुक्त होगा, और यह अपने आप में भ्रम पैदा कर सकता है। गलतफहमी से बचने के लिए, किसी भी ए-जैसे प्रतीक का अर्थ हमेशा शामिल अधिक मौलिक मात्राओं के संदर्भ में स्पष्ट रूप से परिभाषित किया जाना चाहिए।

एक्सपोनेंशियल फंक्शन के कारण, जब kT W से कम होता है तो तापमान तेजी से बढ़ता है। (अनिवार्य रूप से हर सामग्री के लिए, kT = W से पहले पिघलना होता है।)

थर्मोनिक उत्सर्जन कानून को हाल ही में विभिन्न मॉडलों में 2डी सामग्री के लिए संशोधित किया गया है।

शोट्की उत्सर्जन

Main article: Schottky effect

एक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी का शॉटकी-एमिटर इलेक्ट्रॉन स्रोत

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन उपकरणों में, विशेष रूप से इलेक्ट्रॉन गन में, तापायनिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक इसके परिवेश के सापेक्ष नकारात्मक पक्षपाती होगा। यह उत्सर्जक सतह पर E परिमाण का एक विद्युत क्षेत्र बनाता है। क्षेत्र के बिना, एक भागते हुए फर्मी-स्तर के इलेक्ट्रॉन द्वारा देखे गए सतह अवरोध की ऊँचाई W स्थानीय कार्य-फ़ंक्शन के बराबर है। विद्युत क्षेत्र सतह अवरोध को ΔW की मात्रा से कम करता है, और उत्सर्जन धारा को बढ़ाता है। इसे 'शोट्की प्रभाव' (वाल्टर एच. शोट्की के नाम पर रखा गया) या क्षेत्र वर्धित तापायनिक उत्सर्जन के रूप में जाना जाता है। W को (W − ΔW) से प्रतिस्थापित करके रिचर्डसन समीकरण के एक साधारण संशोधन द्वारा इसे प्रतिरूपित किया जा सकता है। यह समीकरण देता है

$J(F,T,W)=A_{\mathrm {G} }T^{2}e^{-(W-\Delta W) \over kT}$

$\Delta W={\sqrt {{q_{e}}^{3}E \over 4\pi \epsilon _{0}}},$

जहां ई₀ विद्युत स्थिरांक है (जिसे पहले वैक्यूम परमिटिटिविटी भी कहा जाता था)।

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन जो क्षेत्र-और-तापमान-शासन में होता है जहां यह संशोधित समीकरण लागू होता है उसे अक्सर शॉटकी उत्सर्जन कहा जाता है। यह समीकरण लगभग 10 से कम विद्युत क्षेत्र की शक्तियों के लिए अपेक्षाकृत सटीक है⁸ वी  मी^-1. विद्युत क्षेत्र की ताकत 10 से अधिक के लिए⁸ वी मी^-1, तथाकथित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन |फाउलर-नोर्डहाइम (FN) टनलिंग महत्वपूर्ण उत्सर्जन करंट का योगदान करना शुरू कर देता है। इस व्यवस्था में, थर्मो-फील्ड (टीएफ) उत्सर्जन के लिए मर्फी-गुड समीकरण द्वारा फील्ड-एन्हांस्ड तापायनिक और फील्ड उत्सर्जन के संयुक्त प्रभावों को प्रतिरूपित किया जा सकता है। इससे भी ऊंचे क्षेत्रों में, FN टनलिंग प्रमुख इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन तंत्र बन जाता है, और उत्सर्जक तथाकथित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में संचालित होता है| शीत क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन (सीएफई) शासन।

प्रकाश जैसे उत्तेजना के अन्य रूपों के साथ बातचीत करके तापायनिक उत्सर्जन को भी बढ़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, तापायनिक कन्वर्टर्स में उत्तेजित सीएस-वाष्प सीएस-रयडबर्ग पदार्थ के क्लस्टर बनाते हैं जो 1.5 ईवी से 1.0-0.7 ईवी तक कलेक्टर उत्सर्जक कार्य समारोह की कमी उत्पन्न करते हैं। रिडबर्ग मामला की लंबे समय तक रहने वाली प्रकृति के कारण यह लो वर्क फंक्शन कम रहता है जो अनिवार्य रूप से लो-टेम्परेचर कन्वर्टर की दक्षता को बढ़ाता है।

फोटॉन-वर्धित ऊष्मीय उत्सर्जन

फोटोन-एन्हांस्ड तापायनिक एमिशन (पीईटीई) स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित एक प्रक्रिया है जो बिजली पैदा करने के लिए सूर्य के प्रकाश और गर्मी दोनों का उपयोग करती है और सौर ऊर्जा उत्पादन की क्षमता को वर्तमान स्तरों से दोगुना से अधिक बढ़ा देती है। इस प्रक्रिया के लिए विकसित डिवाइस 200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर चरम दक्षता तक पहुंचता है, जबकि अधिकांश सिलिकॉन सौर सेल 100 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने के बाद निष्क्रिय हो जाते हैं। ऐसे उपकरण परवलयिक डिश कलेक्टरों में सबसे अच्छा काम करते हैं, जो 800 डिग्री सेल्सियस तक तापमान तक पहुँचते हैं। हालांकि टीम ने अपने प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट डिवाइस में गैलियम नाइट्राइड सेमीकंडक्टर का इस्तेमाल किया, यह दावा करता है कि गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग डिवाइस की दक्षता को 55-60 प्रतिशत तक बढ़ा सकता है, मौजूदा सिस्टम की तुलना में लगभग तिगुना। और मौजूदा 43 प्रतिशत मल्टी-जंक्शन सोलर सेल से 12-17 प्रतिशत अधिक।

यह भी देखें

• अंतरिक्ष प्रभार

बाहरी कड़ियाँ

• How vacuum tubes really work with a section on thermionic emission, with equations, john-a-harper.com.
• Thermionic Phenomena and the Laws which Govern Them, Owen Richardson's Nobel lecture on thermionics. nobelprize.org. December 12, 1929. (PDF)
• Derivations of thermionic emission equations from an undergraduate lab, csbsju.edu.