Thermoïonique - Définition

Introduction

Vue rapprochée d'une lampe au mercure à basse pression montrant une émission lumineuse autour de la partie centrale du filament électrique. Cette émission lumineuse est provoquée par une émission thermoïonique. La couche blanche du filament est habituellement composée d'oxydes de baryum, de strontium et de calcium. Les émissions thermoïoniques provoquent sa disparition petit à petit, ce qui mène à la destruction du filament.

Une émission thermoïonique est un flux d'électrons provenant d'un métal ou d'un oxyde métallique, qui est provoqué par les vibrations des atomes dues à l'énergie thermique lorsque 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 appelées « thermions ».

Histoire

Cet effet est rapporté en 1873 par Frederick Guthrie en Grande-Bretagne, alors 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 également citer les travaux de J.W.Hittorf qui étudie la conductibilité de l’air au voisinage des métaux chauffés au rouge, lorsqu'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 spécialement pour la découverte de la loi portant maintenant son nom ».

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, alors 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. Quand il connectait la feuille au filament au travers d'un galvanomètre, en appliquant une tension négative à la feuille par rapport au filament, rien ne se passait. Mais, quand il augmentait la tension de la feuille de manière à atteindre une tension positive par rapport 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 appelée l'effet Edison (ce terme est parfois utilisé comme référence à l'effet thermoïonique lui-même). Bien qu'Edison ne voyait pas d'application pour cet effet, il le breveta en 1883, mais ne l'étudia plus.

Loi de Richardson

Dans chaque métal, il y a un ou deux électrons libres qui peuvent se déplacer d'un atome à un autre. Cela est parfois appelé « 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 nécessaire pour qu'un électron puisse quitter la surface est appelée le travail de sortie, et varie d'un métal à l'autre. Pour les tubes électroniques, une fine couche d'oxyde est souvent appliquée à la surface du métal pour obtenir un travail de sortie plus bas, ce qui facilite le départ des électrons de la surface.

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

Où 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_G la constante de Richardson. L'exponentielle dans l'équation montre que le courant émis augmente énormément 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.

De 1911 à 1930, comme la compréhension physique du comportement des électrons dans les métaux augmentait, plusieurs expressions théoriques furent proposées pour A_G par Richardson, Dushman, Fowler, Sommerfeld et Nordheim. Au début du XXI^e siècle, la forme précise de cette expression est encore débattue par les spécialistes théoriques, mais il y a une entente que A_G devrait s'écrire comme :

où λ_R est un facteur correctif lié au matériau (d'une valeur proche de 0,5) et A₀ est une constante universelle donnée par

où m et e représentent la masse et la charge de l'électron, et h est la constante de Planck.

Vers 1930, il y avait accord que, à cause de la nature ondulatoire de l'électron, une partie r_av des électrons sortants sont réfléchis lorsqu'ils atteignent la surface de l'émetteur, ce qui réduit la densité du courant d'émission : λ_R aurait la valeur (1-r_av). C'est pourquoi l'équation de l'émission thermoïonique est écrit ainsi :

.

Cependant, un traitement théorique plus récent par Modinos fait l'hypothèse que la bande de valence du matériau émetteur doit aussi être prise en compte. Cela introduit un deuxième facteur de correction λ_B pour λ_R, ce qui donne A_G = λ_B(1 − r_av)A₀.

Les valeurs expérimentales du coefficient A_G sont généralement du même ordre de magnitude que A₀, mais diffèrent sensiblement entre les matériaux émetteurs, ainsi que selon la face cristallographique du même matériau. De façon qualitative, ces différences expérimentales s'expliquent par des valeurs différentes de λ_R.

Une confusion importante existe dans la littérature à ce sujet : (1) plusieurs articles ne distinguent pas A_G de A₀, n'utilisant que A (ou parfois le terme « constante de Richardson ») ; (2) les équations qui ont recours ou non au facteur de correction (λ_R) reçoivent le même nom ; et (3) différents noms sont donnés à ces équations, dont « équation de Richardson », « équation de Dushman », « équation de Richardson-Dushman » et « équation de Richardson-Laue-Dushman ».