Emissione Termoionica – Effetto Edison
L’emissione termoionica, storicamente nota come effetto Edison, rappresenta il flusso di particelle caricate (elettroni o ioni), chiamate termioni, da un elettrodo. Questo fenomeno è causato dall’energia vibrazionale termica che supera le forze elettrostatiche che trattenere gli elettroni sulla superficie. Tale processo gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento di diversi dispositivi elettronici, come i tubi a vuoto, e trova applicazioni nella generazione di elettricità, ad esempio nei convertitori termoionici, o nel raffreddamento.
L’Effetto Edison in un Tubo a Diodo
Il tubo a diodo, collegato in due configurazioni diverse, una con flusso di elettroni e l’altra senza, è un esempio classico dell’effetto Edison. Un convertitore di energia termoionica consiste in due elettrodi posizionati vicini tra loro in un vuoto. Un elettrodo è normalmente chiamato catodo o emettitore, e l’altro anodo o piastra. Il catodo caldo può essere un filamento metallico, un filamento metallico rivestito o una struttura separata di metallo o carburi o boruri di metalli di transizione.
Barriera Potenziale ed Emissione
Gli elettroni nel catodo sono normalmente impediti di sfuggire dalla superficie da una barriera di energia potenziale. Per sfuggire, l’elettrone deve acquisire abbastanza energia per superare questa barriera energetica. A temperature ordinarie, quasi nessun elettrone può acquis
ire abbastanza energia per sfuggire. Tuttavia, quando il catodo è molto caldo, l’energia degli elettroni aumenta notevolmente a causa del movimento termico. A temperature sufficientemente alte, un numero considerevole di elettroni riesce a sfuggire. La liberazione di elettroni da una superficie calda è nota come emissione termoionica.
Emissione nel Vuoto e Carica Spaziale
L’emissione termoionica dai metalli diventa significativa solo per temperature superiori a 1.000 K (730 °C; 1.340 °F). Gli elettroni che sono sfuggiti dal catodo caldo formano una nuvola di cariche negative vicino ad esso, chiamata carica spaziale. Se la piastra è mantenuta positiva rispetto al catodo tramite una batteria, gli elettroni nella nuvola sono attratti verso di essa. Finché viene mantenuta la differenza di potenziale tra gli elettrodi, ci sarà un flusso di corrente costante dal catodo alla piastra.
Il Generatore Termoionico
Un generatore termoionico funziona come un motore termico ciclico e la sua massima efficienza è limitata dalla legge di Carnot. Si tratta di un dispositivo a bassa tensione e alta corrente, dove sono state raggiunte densità di corrente di 25-50 (A/cm2) a una tensione di 1-2V. L’energia dei gas ad alta temperatura può essere parzialmente convertita in elettricità se i tubi riscaldatori della caldaia sono forniti di catodo e anodo di un generatore termoionico, con lo spazio intermedio riempito di vapore di cesio ionizzato.
L’emissione termoionica rappresenta una frontiera affascinante nella scienza dei materiali e nella fisica applicata, offrendo soluzioni innovative per la generazione di energia elettrica e per le tecnologie di r
affreddamento. La sua comprensione e applicazione continua ad evolversi, portando a sviluppi entusiasmanti in vari campi della tecnologia e dell’ingegneria.
