الانبعاث الحراري

الانبعاث الحراري الأيوني هو تحرر جسيمات مشحونة من قطب كهربائي ساخن ، حيث تمنح الطاقة الحرارية بعض هذه الجسيمات طاقة حركية كافية للهروب من سطح المادة. هذه الجسيمات، التي كانت تُسمى أحيانًا بالثيرميونات في المراجع القديمة، تُعرف الآن بأنها أيونات أو إلكترونات . ويُقصد بالانبعاث الحراري الإلكتروني تحديدًا انبعاث الإلكترونات، ويحدث عندما تتغلب الطاقة الحرارية على دالة شغل المادة .

بعد الانبعاث، تتبقى شحنة معاكسة في المقدار، مساوية للشحنة المنبعثة، في منطقة الانبعاث. ولكن إذا كان الباعث موصولًا ببطارية ، فإن هذه الشحنة المتبقية تُعادلها الشحنة التي توفرها البطارية مع انبعاث الجسيمات، وبالتالي سيحمل الباعث نفس الشحنة التي كانت عليه قبل الانبعاث. وهذا يُسهّل انبعاث المزيد من الجسيمات للحفاظ على التيار الكهربائي . لاحظ توماس إديسون هذا التيار عام 1880 أثناء اختراعه للمصباح الكهربائي ، وأطلق عليه العلماء اللاحقون اسم " تأثير إديسون" ، مع أن العلماء لم يفهموا انبعاث الإلكترونات وسببه إلا بعد اكتشاف الإلكترون عام 1897 .

يُعدّ الانبعاث الحراري الأيوني أساسيًا لتشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية ، ويمكن استخدامه لتوليد الكهرباء (مثل المحولات الحرارية الأيونية والأسلاك الكهروديناميكية ) أو للتبريد. تُصدر أنابيب التفريغ الحراري الأيوني إلكترونات من مهبط ساخن إلى فراغ مغلق، ويمكن توجيه هذه الإلكترونات المنبعثة بتطبيق جهد كهربائي . قد يكون المهبط الساخن سلكًا معدنيًا، أو سلكًا معدنيًا مطليًا، أو بنية منفصلة من المعدن أو الكربيدات أو البوريدات للمعادن الانتقالية . يميل الانبعاث الفراغي من المعادن إلى أن يصبح ذا أهمية فقط عند درجات حرارة أعلى من 1000 كلفن (730 درجة مئوية ؛ 1340 درجة فهرنهايت ) . يزداد تدفق الشحنة بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة.   

يُستخدم مصطلح الانبعاث الحراري الآن أيضًا للإشارة إلى أي عملية انبعاث شحنة مثارة حراريًا، حتى عندما تنبعث الشحنة من منطقة صلبة إلى أخرى.

ولأن الإلكترون لم يتم التعرف عليه كجسيم فيزيائي منفصل حتى عمل جي جي طومسون في عام 1897، لم يتم استخدام كلمة إلكترون عند مناقشة التجارب التي أجريت قبل هذا التاريخ.

أُبلغ عن هذه الظاهرة لأول مرة عام 1853 على يد إدموند بيكريل . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} ثم رُصدت مرة أخرى عام 1873 على يد فريدريك غوثري في بريطانيا. ^{[ 4 ] [ 5 ]} أثناء عمله على الأجسام المشحونة، اكتشف غوثري أن كرة حديدية حمراء ساخنة ذات شحنة سالبة تفقد شحنتها (عن طريق تفريغها في الهواء بطريقة ما). كما وجد أن هذا لا يحدث إذا كانت الكرة تحمل شحنة موجبة. ^{[ 6 ]} ومن بين المساهمين الأوائل الآخرين يوهان فيلهلم هيتورف (1869-1883)، ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} ويوجين غولدشتاين (1885)، ^{[ 13 ]} وجوليوس إلستر وهانز فريدريش غايتل (1882-1889). ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

تأثير إديسون

لاحظ توماس إديسون الانبعاث الحراري مرة أخرى عام 1880، بينما كان فريقه يحاول اكتشاف سبب تكسر خيوط الخيزران المتفحمة ^{[ 19 ]} واسوداد السطح الداخلي للمصابيح المتوهجة . كان هذا السواد عبارة عن كربون مترسب من الخيط، وكان أشد سوادًا بالقرب من الطرف الموجب لحلقة الخيط، مما يُلقي بظلال خفيفة على الزجاج، كما لو أن الكربون سالب الشحنة ينبعث من الطرف السالب وينجذب نحو الطرف الموجب لحلقة الخيط، وأحيانًا يمتصه. اعتُبر هذا الكربون المتساقط "ناقلًا كهربائيًا"، ونُسب في البداية إلى تأثير في أنابيب كروكس حيث تنتقل أشعة الكاثود سالبة الشحنة من الغاز المتأين من قطب سالب إلى قطب موجب. في محاولة لإعادة توجيه جزيئات الكربون المشحونة إلى قطب كهربائي منفصل بدلاً من الزجاج، أجرى إديسون سلسلة من التجارب (أول تجربة غير حاسمة موجودة في دفتر ملاحظاته بتاريخ 13 فبراير 1880) مثل التجربة الناجحة التالية: ^{[ 20 ]}

تجربة توضح تأثير إديسون

يتكون مصباح تأثير إديسون من مصباح مفرغ مزود بقطب كهربائي خارجي مثل صفيحة معدنية في هذا المثال (استخدمت المتغيرات رقائق البلاتين أو سلكًا إضافيًا بدلاً من ذلك) معزول عن خيط الكربون (على شكل دبوس شعر في هذا المثال).

صُممت دائرة إديسون للمصباح (الدائرة الكبيرة) بحيث يكون قطبه الكهربائي موصولًا على التوالي مع مقياس التيار (A) لقياس التيار التقليدي ، ومصدر جهد (منفصل عن مصدر الطاقة الذي يُسخن الفتيل) لشحن القطب إما بشحنة موجبة (في هذه الحالة، تنجذب الإلكترونات وتتدفق على طول الأسهم من الفتيل عبر الفراغ الجزئي إلى القطب) أو بشحنة سالبة (مما ينتج عنه عدم وجود تيار قابل للقياس). نعلم الآن أنه بالإضافة إلى جزيئات الكربون، كان الفتيل يُصدر إلكترونات، وهي ذات شحنة سالبة، وبالتالي تنجذب إلى القطب الموجب الشحنة، ولكنها لا تنجذب إلى القطب السالب الشحنة.

كان لهذا التأثير تطبيقات عديدة. فقد اكتشف إديسون أن التيار المنبعث من الفتيل الساخن يزداد بسرعة مع زيادة الجهد ، وقدّم طلب براءة اختراع لجهاز تنظيم الجهد باستخدام هذا التأثير في 15 نوفمبر 1883، ^{[ 21 ]} وهو أول براءة اختراع أمريكية لجهاز إلكتروني. ووجد أن تيارًا كافيًا يمر عبر الجهاز لتشغيل جهاز استشعار التلغراف ، والذي عُرض في المعرض الكهربائي الدولي لعام 1884 في فيلادلفيا. وتلقى العالم البريطاني الزائر ويليام بريس عدة مصابيح من إديسون لدراستها. وأشار بريس في بحثه المنشور عام 1885 حول هذه المصابيح إلى التيار أحادي الاتجاه عبر الفراغ الجزئي باسم " تأثير إديسون"، ^{[ 22 ] [ 23 ]} على الرغم من أن هذا المصطلح يُستخدم أحيانًا للإشارة إلى الانبعاث الحراري نفسه. واكتشف الفيزيائي البريطاني جون أمبروز فليمنج ، الذي كان يعمل لدى شركة التلغراف اللاسلكي البريطانية ، أنه يمكن استخدام تأثير إديسون للكشف عن الموجات الراديوية . واصل فليمنج تطوير صمام ثنائي تفريغ حراري أيوني ثنائي العناصر يُسمى صمام فليمنج (براءة اختراع بتاريخ 16 نوفمبر 1904). ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} يمكن أيضًا تهيئة الصمامات الثنائية الحرارية الأيونية لتحويل فرق الحرارة إلى طاقة كهربائية مباشرةً دون أجزاء متحركة، وذلك كجهاز يُسمى المحول الحراري الأيوني ، وهو نوع من المحركات الحرارية .

بعد أن اكتشف جيه جيه طومسون الإلكترون عام 1897، بدأ الفيزيائي البريطاني أوين ويلانز ريتشاردسون العمل على الموضوع الذي أطلق عليه لاحقًا اسم "الانبعاث الحراري". وقد حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1928 "لعمله على ظاهرة الانبعاث الحراري، وخاصة لاكتشافه القانون الذي سُمّي باسمه".

بحسب نظرية النطاقات ، يوجد إلكترون أو إلكترونان في كل ذرة من المواد الصلبة، وهما حران في الحركة بين الذرات. ويُشار إلى هذا أحيانًا باسم "بحر الإلكترونات". وتتبع سرعات هذه الإلكترونات توزيعًا إحصائيًا، بدلًا من أن تكون منتظمة، وفي بعض الأحيان يمتلك الإلكترون سرعة كافية للخروج من المعدن دون أن يُسحب إليه مرة أخرى. يُطلق على الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لمغادرة الإلكترون سطحًا ما اسم دالة الشغل . وتُعد دالة الشغل خاصية مميزة للمادة، وتكون في معظم المعادن في حدود عدة إلكترون فولت (eV). ويمكن زيادة التيارات الحرارية عن طريق تقليل دالة الشغل. ويمكن تحقيق هذا الهدف المنشود غالبًا بتطبيق طبقات أكسيد مختلفة على السلك.

في عام 1901، نشر ريتشاردسون نتائج تجاربه: بدا أن التيار الناتج عن سلك ساخن يعتمد بشكل أسي على درجة حرارة السلك بصيغة رياضية مشابهة لمعادلة أرهينيوس المعدلة .${\displaystyle T^{1/2}\mathrm {e} ^{-b/T}}$[ ^{27 ] وفي وقت لاحق ،} اقترح أن يكون لقانون الانبعاث الشكل الرياضي ^{[ 28 ]}

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

حيث J هي كثافة تيار الانبعاث ، و T هي درجة حرارة المعدن، و W هي دالة شغل المعدن، و k هو ثابت بولتزمان ، و A _G هو معلمة سيتم مناقشتها لاحقًا.

في الفترة ما بين عامي 1911 و1930، ومع ازدياد الفهم الفيزيائي لسلوك الإلكترونات في المعادن، طُرحت تعابير نظرية مختلفة (مبنية على افتراضات فيزيائية متباينة) لـ A _G ، من قِبل ريتشاردسون، وساول دوشمان ، ورالف هـ. فاولر، وأرنولد سومرفيلد ، ولوثار وولفغانغ نوردهايم . وبعد مرور أكثر من ستين عامًا، لا يزال هناك اختلاف في الآراء بين المنظرين المهتمين حول الصيغة الدقيقة لـ A _G ، ولكن ثمة اتفاق على ضرورة كتابة A _G بالشكل التالي:

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

حيث λ _R هو عامل تصحيح خاص بالمادة وهو عادة من رتبة 0.5، و A ₀ هو ثابت عالمي معطى بواسطة ^{[ 29 ]}

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

أين${\displaystyle m}$و${\displaystyle -q_{\text{e}}}$و هما كتلة وشحنة الإلكترون على التوالي، و${\displaystyle h}$هو ثابت بلانك .

في الواقع، بحلول عام 1930 تقريبًا، كان هناك اتفاق على أنه نظرًا للطبيعة الموجية للإلكترونات، فإن نسبة r _av من الإلكترونات الخارجة ستنعكس عند وصولها إلى سطح الباعث، مما سيؤدي إلى انخفاض كثافة تيار الانبعاث، وستكون قيمة λ _{R هي} 1 − r _av . لذا، يُرى أحيانًا معادلة الانبعاث الحراري مكتوبة بالشكل التالي:

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

مع ذلك، يفترض المعالجة النظرية الحديثة التي وضعها مودينوس ضرورة أخذ بنية نطاق المادة الباعثة في الاعتبار أيضًا. وهذا من شأنه أن يُدخل عامل تصحيح ثانٍ λB في λR _، مما _يُعطي${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}}$تكون القيم التجريبية للمعامل "المعمم" A _{_G} عمومًا من رتبة مقدار A _₀ ، لكنها تختلف اختلافًا كبيرًا بين المواد الباعثة المختلفة، وقد تختلف أيضًا بين الأوجه البلورية المختلفة للمادة نفسها. ويمكن تفسير هذه الاختلافات التجريبية، على الأقل نوعيًا، بأنها ناتجة عن اختلافات في قيمة λ_{_R} .

يوجد قدر كبير من الالتباس في المراجع العلمية لهذا المجال للأسباب التالية: (1) لا تُميّز العديد من المصادر بين A _G و A ₀ ، بل تستخدم الرمز A (وأحيانًا اسم "ثابت ريتشاردسون") بشكل عشوائي؛ (2) تُطلق نفس التسمية على المعادلات التي تتضمن عامل التصحيح λ _R وتلك التي لا تتضمنه ؛ (3) توجد مسميات متعددة لهذه المعادلات، منها "معادلة ريتشاردسون"، و"معادلة دوشمان"، و"معادلة ريتشاردسون-دوشمان"، و"معادلة ريتشاردسون-لاو-دوشمان". في بعض الأحيان، تُستخدم المعادلة الأولية في المراجع العلمية في حالات يكون فيها استخدام المعادلة المعممة أكثر ملاءمة، وهذا بحد ذاته قد يُسبب التباسًا. لتجنب سوء الفهم، يجب دائمًا تعريف معنى أي رمز "شبيه بـ A" بشكل صريح بدلالة الكميات الأساسية المعنية.

بسبب الدالة الأسية، يزداد التيار بسرعة مع درجة الحرارة عندما تكون kT أقل من W. (بالنسبة لجميع المواد تقريبًا، يحدث الانصهار قبل أن تصبح kT = W. )

تم مؤخراً تنقيح قانون الانبعاث الحراري للمواد ثنائية الأبعاد في نماذج مختلفة. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

في أجهزة انبعاث الإلكترونات، وخاصة مدافع الإلكترونات ، يكون باعث الإلكترونات الحراري سالبًا بالنسبة لمحيطه. يُنشئ هذا مجالًا كهربائيًا مقداره E على سطح الباعث. في غياب المجال، يكون ارتفاع حاجز السطح الذي يراه إلكترون فيرمي هارب W مساويًا لدالة الشغل المحلية. يُخفّض المجال الكهربائي حاجز السطح بمقدار ΔW ، ويزيد تيار الانبعاث. يُعرف هذا بتأثير شوتكي (نسبةً إلى والتر إتش. شوتكي ) أو الانبعاث الحراري المُعزز بالمجال. يمكن نمذجته بتعديل بسيط لمعادلة ريتشاردسون، باستبدال W بـ ( W  −  ΔW ). وهذا يُعطي المعادلة ^{[ 33 ] [ 34 ]} .

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

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

حيث ε ₀ هو الثابت الكهربائي (يسمى أيضًا سماحية الفراغ ).

يُطلق على انبعاث الإلكترونات الذي يحدث في نطاق المجال ودرجة الحرارة حيث تنطبق هذه المعادلة المعدلة اسم انبعاث شوتكي . وتكون هذه المعادلة دقيقة نسبيًا لشدة المجال الكهربائي الأقل من حوالي10⁸ ^فولت  / ^متر . بالنسبة لشدة المجال الكهربائي الأعلى من^{عند شدة مجال كهربائي تبلغ} 10⁸ ^فولت  / متر ، يبدأ ما يُعرف بنفق فاولر-نوردهايم (FN) بالمساهمة بشكل ملحوظ في تيار الانبعاث. في هذا النطاق، يمكن نمذجة التأثيرات المشتركة للانبعاث الحراري المعزز بالمجال والانبعاث الميداني باستخدام معادلة مورفي-جود للانبعاث الحراري الميداني (TF). ^{[ 35 ]} عند شدة مجال كهربائي أعلى، يصبح نفق فاولر-نوردهايم آلية انبعاث الإلكترونات السائدة، ويعمل الباعث في ما يُعرف بنظام "انبعاث الإلكترونات في المجال البارد (CFE)" .

يمكن أيضًا تعزيز الانبعاث الحراري الأيوني من خلال التفاعل مع أشكال أخرى من الإثارة، مثل الضوء. ^{[ 36 ]} على سبيل المثال، تُشكّل أبخرة السيزيوم (Cs) المُثارة في المحولات الحرارية الأيونية تجمعات من مادة ريدبيرغ السيزيوم ، مما يؤدي إلى انخفاض دالة شغل المُجمِّع من 1.5  إلكترون فولت إلى 1.0-0.7  إلكترون فولت. ونظرًا لطول عمر مادة ريدبيرغ، تبقى دالة الشغل منخفضة، مما يزيد بشكل أساسي من كفاءة المحول ذي درجة الحرارة المنخفضة. ^{[ 37 ]}

الانبعاث الحراري المعزز بالفوتونات (PETE) هو عملية طورها علماء في جامعة ستانفورد ، تستغل ضوء الشمس وحرارتها لتوليد الكهرباء، وتزيد من كفاءة إنتاج الطاقة الشمسية بأكثر من ضعف المستويات الحالية. يصل الجهاز المُصمم لهذه العملية إلى ذروة كفاءته عند درجة حرارة أعلى من 200  درجة مئوية، بينما تصبح معظم الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون غير فعالة بعد بلوغها 100  درجة مئوية. تعمل هذه الأجهزة بكفاءة عالية في مُجمِّعات القطع المكافئ ، التي تصل درجة حرارتها إلى 800  درجة مئوية. على الرغم من أن الفريق استخدم شبه موصل من نتريد الغاليوم في نموذج إثبات المفهوم، إلا أنه يدّعي أن استخدام زرنيخيد الغاليوم يمكن أن يزيد كفاءة الجهاز إلى 55-60%، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف كفاءة الأنظمة الحالية، ^{[ 38 ] [ 39 ]} وبنسبة 12-17% أكثر من كفاءة الخلايا الشمسية متعددة الوصلات الحالية التي تبلغ 43%. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

• شحنة الفضاء
• التأين الحراري
• تأثير نوتنغهام

• كيف تعمل أنابيب التفريغ حقًا مع قسم عن الانبعاث الحراري، مع المعادلات ، john-a-harper.com.
• الظواهر الحرارية الأيونية والقوانين التي تحكمها ، محاضرة أوين ريتشاردسون في جائزة نوبل حول علم الحرارة الأيونية. nobelprize.org. 12 ديسمبر 1929. (ملف PDF)
• اشتقاقات معادلات الانبعاث الحراري من مختبر جامعي مؤرشف بتاريخ 2012-02-05 في Wayback Machine ، csbsju.edu.