Thermions : Une Introduction à l’Émission Thermionique
Les thermions, des particules ou ions électriquement chargés, sont émis par un matériau conducteur chauffé, un phénomène connu sous le nom d’émission thermionique. Ces électrons, libérés des cathodes de tubes électroniques tels que les tubes à rayons cathodiques, jouent un rôle fondamental dans le fonctionnement de divers appareils électroniques.
L’Effet Edison et l’Émission Thermionique
Historiquement appelée « effet Edison », l’émission thermionique désigne le flux de particules chargées (électrons ou ions) depuis une électrode, provoqué par l’énergie vibratoire thermique qui surmonte les forces électrostatiques retenant les électrons à la surface. Ce processus est crucial dans le fonctionnement de dispositifs tels que les tubes à vide et est également utilisé dans la génération d’électricité (par exemple, les convertisseurs thermioniques) ou pour le refroidissement.
La Diode et l’Émission Thermionique
Le concept d’effet Edison est illustré dans une diode tube connectée dans deux configurations différentes : l’une permettant un flux d’électrons, l’autre non. Ce principe est au cœur du fonctionnement des convertisseurs d’énergie thermionique, composés de deux électrodes placées l’une près de l’autre dans un vide.
Le Cathode Chaude et l’Émission d’Électrons
La cathode, ou émetteur, peut être un filament métallique, un filament métallique revêtu, ou une structure distincte de métal ou de carbures ou de borures de métaux de transition. Normalement, les électrons sont empêchés de s’échapper de la surface par une barrière d’énergie potentielle. Pour s’échapper, l’électron doit acquérir suffisamment d’énergie pour surmonter cette barrière. À des températures ordinaires, presque aucun électron ne peut s’échapper. Cependant, à haute température, les énergies électroniques sont grandement augmentées, permettant à un nombre considérable d’électrons de s’échapper, un phénomène nommé émission thermionique.
L’Émission de Vide et la Charge Spatiale
L’émission de vide des métaux devient significative uniquement à des températures supérieures à 1 000 K (730 °C; 1 340 °F). Les électrons échappés forment un nuage de charges négatives, appelé charge spatiale, près de la cathode. Si la plaque est maintenue positive par rapport à la cathode, les électrons sont attirés vers elle, créant ainsi un flux constant d’électrons.
Le Générateur Thermionique et la Loi de Carnot
Un générateur thermionique fonctionne comme un moteur thermique cyclique, avec une efficacité maximale limitée par la loi de Carnot. C’est un dispositif à basse tension et à fort courant, atteignant des densités de courant de 25-50 A/cm2 à une tension de 1-2V. L’énergie des gaz à haute température peut être partiellement convertie en électricité en équipant les tubes montants de la chaudière avec une cathode et une anode d’un générateur thermionique, l’espace intermédiaire étant rempli de vapeur de césium ionisée.
