서미온(Thermions)에 대한 이해
서미온은 열을 가한 전도성 재료에서 발생하는 전기적으로 충전된 입자 또는 이온입니다. 이 현상은 열전자 방출 또는 통칭 ‘에디슨 효과’로 알려져 있으며, 전자 또는 이온 같은 충전된 입자들이 전극에서 열 진동 에너지에 의해 표면을 유지하는 정전기력을 극복하고 흘러나오는 과정입니다.
서미온의 발생
서미온은 전자관(예: 진공관)의 음극에서 방출되는 전자들로 구성됩니다. 특히, 고온에서 음극이 되는 금속 필라멘트, 코팅된 금속 필라멘트, 또는 전이 금속의 탄화물이나 붕화물 같은 별도 구조에서 발생합니다. 전자는 표면에서 벗어나려고 할 때 해당 재료 내에서 상응하는 양전하를 유도하여 전자가 표면으로 다시 끌려들어가는 경향이 있습니다. 전자가 이 에너지 장벽을 극복하기 위해서는 충분한 에너지를 얻어야 합니다.
열전자 방출의 원리
일반적인 온도에서는 거의 어떤 전자도 이 장벽을 극복할 만큼의 에너지를 얻을 수 없습니다. 그러나 음극이 매우 뜨거울 때, 열 운동에 의해 전자의 에너지가 크게 증가합니다. 충분히 높은 온도에서는 상당수의 전자가 탈출할 수 있습니다. 뜨거운 표면에서 전자가 방출되는 이 현상을 열전자 방출이라고 합니다.
진공 중의 열전자 방출
금속에서의 진공 방출은 보통 1,000K(730°C; 1,340°F) 이상의 온도에서만 중요해집니다. 뜨거운 음극에서 탈출한 전자들은 그 근처에 음전하의 구름을 형성하는데, 이를 공간 전하라고 합니다. 양전극(플레이트)을 배터리로 음극에 비해 양성으로 유지하면, 이 구름 속의 전자들이 그것에 끌립니다. 전극 간의 전위차가 유지되는 한, 음극에서 양전극으로의 꾸준한 전류 흐름이 있을 것입니다.
서미온 에너지 변환기
서미온 에너지 변환기는 두 전극이 진공 중에서 서로 가까이 배치된 장치로, 한 전극은 보통 음극 또는 방출극이라고 하며, 다른 하나는 양극 또는 플레이트라고 합니다. 이 장치는 순환 열 엔진과 유사하며, 그 최대 효율은 카르노의 법칙에 의해 제한됩니다. 이는 저전압 고전류 장치로, 1-2V의 전압에서 25-50 A/cm2의 전류 밀도가 달성되었습니다. 보일러의 상승 튜브에 음극과 양극을 제공하고 이 사이를 이온화된 세슘 증기로 채운 서미온 발전기를 사용하면 고온 가스의 에너지를 부분적으로 전기로 변환할 수 있습니다.
