Thermionen: Eine Revolution in der Elektronik
Thermionen, elektrisch geladene Teilchen oder Ionen, die von einem erhitzten leitenden Material durch thermionische Emission emittiert werden, spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Elektronik. Diese Emission, auch als Edison-Effekt bekannt, ist der Fluss von geladenen Teilchen (Elektronen oder Ionen) von einer Elektrode, verursacht durch thermische Schwingungsenergie, die die elektrostatischen Kräfte überwindet, welche die Elektronen an der Oberfläche halten.
Die Grundlagen der thermionischen Emission
Bei der thermionischen Emission werden Elektronen von den Kathoden von Elektronenröhren, wie z.B. Kathodenstrahlröhren, emittiert. Dieser Prozess ist für den Betrieb einer Vielzahl elektronischer Geräte (Vakuumröhren) von entscheidender Bedeutung und kann zur Stromerzeugung (wie bei thermionischen Konvertern) oder Kühlung verwendet werden.
Der Edison-Effekt in einer Diodenröhre
Ein Beispiel für den Edison-Effekt ist eine Diodenröhre, die in zwei Konfigurationen angeschlossen ist: eine mit Elektronenfluss und eine ohne. Eine thermionische Energieumwandlung findet in einem Gerät statt, das aus zwei Elektroden in einem Vakuum besteht, wobei eine Elektrode normalerweise als Kathode oder Emitter und die andere als Anode oder Platte bezeichnet wird.
Die heiße Kathode
Die heiße Kathode kann ein Metallfaden, ein beschichteter Metallfaden oder eine separate Struktur aus Metall oder Karbiden oder Boriden von Übergangsmetallen sein. Normalerweise werden Elektronen in der Kathode daran gehindert, die Oberfläche zu verlassen, durch eine potentielle Energiebarriere. Um zu entkommen, muss das Elektron genug Energie erlangen, um diese Energiebarriere zu überwinden. Bei sehr hohen Temperaturen können jedoch erheblich viele Elektronen entkommen, was als thermionische Emission bezeichnet wird.
Die Bedeutung von hohen Temperaturen
Vakuumemission von Metallen wird erst bei Temperaturen über 1.000 K (730 °C; 1.340 °F) signifikant. Die entwichenen Elektronen bilden eine Wolke negativer Ladungen in der Nähe der heißen Kathode, die Raumladung genannt wird. Wenn die Platte im Verhältnis zur Kathode positiv gehalten wird, werden die Elektronen in der Wolke zu ihr hingezogen.
Thermionische Generatoren
Ein thermionischer Generator funktioniert wie ein zyklischer Wärmemotor, und seine maximale Effizienz wird durch das Carnot’sche Gesetz begrenzt. Es handelt sich um ein Niederspannungshochstromgerät, bei dem Stromdichten von 25-50 (A/cm2) bei einer Spannung von 1-2V erreicht wurden. Die Energie von Hochtemperaturgasen kann teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, wenn die Steigrohre des Kessels mit Kathode und Anode eines thermionischen Generators versehen werden, wobei der Zwischenraum mit ionisiertem Cäsiumdampf gefüllt ist.
