तापायनिक उत्सर्जन

पारा-वाष्प लैम्प गैस डिस्आवेश लैंप में विद्युत तन्तु का क्लोज़अप, कुंडली के मध्य भाग पर सफेद तापायनिक उत्सर्जन मिश्रण कोटिंग दिखा रहा है। सामान्यतः बेरियम , स्ट्रोंटियम और कैल्शियम ऑक्साइड के मिश्रण से बना, कोटिंग सामान्य उपयोग के माध्यम से दूर हो रही है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः दीपक की विफलता होती है।

उन बल्बों में से एक जिसके साथ एडिसन ने तापायनिक उत्सर्जन की खोज की थी। इसमें कार्बन विद्युतकीय तन्तु (हेयरपिन शेप) वाला एक रिक्त ग्लास लाइट बल्ब होता है, जिसमें बेस से निकलने वाले तारों से जुड़ी एक अतिरिक्त धात्विक प्लेट होती है। तन्तु द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉन को प्लेट में आकर्षित किया गया था जब उसमें सकारात्मक विभव था।

तापायनिक उत्सर्जन जिसे तापीय इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन या एडिसन प्रभाव भी कहा जाता है, विद्युत धारक से इसकी तापमान के कारण इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने की प्रक्रिया होती है जो ऊष्मा द्वारा प्रदान की गई ऊर्जा को उत्सर्जित करती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि आवेश वाहक को दी गई ऊष्मीय ऊर्जा सामग्री के कार्य फलन पर प्रभावी हो जाती है। आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन या आयन स्रोत हो सकते हैं, जिन्हे प्राचीन साहित्य में कभी-कभी तापयन के रूप में जाना जाता है। उत्सर्जन के उपरांत, एक आवेश जो उत्सर्जित कुल आवेश के परिमाण के बराबर और चिह्न के विपरीत होता है, प्रारंभ में उत्सर्जक क्षेत्र में पीछे रह जाता है। परंतु यदि उत्सर्जक बैटरी से जुड़ा होता है, तो उत्सर्जित चार्ज वाहकों के दूर हो जाने से बैटरी द्वारा आपूर्ति किया गया आवेश, शेष आवेश को निष्प्रभावी कर देता है, और अंततः उत्सर्जक, उत्सर्जन से पूर्व की स्थिति में बना रहता है।

तापायनिक उत्सर्जन का पारंपरिक उदाहरण, निर्वात-नलिका में किसी गर्म ऋणाग्र से इलेक्ट्रॉनों का निर्वात में उत्सर्जन है। गर्म ऋणाग्र किसी धातु की तार, किसी धातु की तार पर लेपित तरल पदार्थ, या पारगम्य धातु या अवकर्बाइड या बोराइड की अलग संरचना हो सकती है। धातुओं से निर्वात उत्सर्जन केवल 1,000 K (730 °C; 1,340 °F) से ऊपर के तापमानों पर महत्वपूर्ण होता है।

यह प्रक्रिया विभिन्न प्रकार के विद्युतकीय उपकरणों के संचालन में महत्वपूर्ण रूप से उपयोगी है और इसका उपयोग विद्युत उत्पादन जैसे तापायनिक परिवर्तक और विद्युत् गतिक बंधक या शीतलन के लिए किया जा सकता है। बढ़ते तापमान के साथ आवेश प्रवाह का परिमाण नाटकीय रूप से बढ़ जाता है।

'तापायनिक उत्सर्जन' शब्द का उपयोग अब किसी भी ताप-उत्तेजित आवेश उत्सर्जन प्रक्रिया को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है, भले ही आवेश एक ठोस-स्थिति भौतिकी से दूसरे ठोस-स्थिति क्षेत्र में उत्सर्जित हो।

इतिहास

डायोड ट्यूब में एडिसन प्रभाव। एक डायोड ट्यूब दो विन्यासों में जुड़ा हुआ है; एक में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है और दूसरे में नहीं। (तीर इलेक्ट्रॉन करंट का प्रतिनिधित्व करते हैं, पारंपरिक करंट का नहीं।)

क्योंकि 1897 में जे जे थॉमसन के कार्य तक इलेक्ट्रॉन को एक अलग भौतिक कण के रूप में पहचाना नहीं गया था, इस तिथि से पूर्व हुए प्रयोगों पर चर्चा करते समय इलेक्ट्रॉन शब्द का उपयोग नहीं किया गया था।

यह प्रक्रिया पहली बार 1853 में एडमंड बेकरेल ने प्रस्तुत की थी। इसे 1873 में ब्रिटेन में फ्रेडरिक गुथरी द्वारा पुनः खोजा गया था। आवेशित वस्तुओं पर कार्य करते समय, गुथरी ने पाया कि एक ऋणात्मक आवेश वाला लाल-गर्म लोहे का गोला अपना आवेश किसी तरह इसे वायु में छोड़ कर खो देगा। उन्होंने यह भी पाया कि यदि गोले पर धनात्मक आवेश होता है तो ऐसा नहीं होता है। अन्य प्रारम्भिक योगदानकर्ताओं में जोहान विल्हेम हिटटॉर्फ (1869-1883), यूजेन गोल्डस्टीन(1885), और जूलियस एलस्टर और हंस फ्रेडरिक गीटेल (1882-1889) आदि सम्मिलित हैं।

13 फरवरी, 1880 को थॉमस एडिसन द्वारा इस प्रभाव को पुनः खोजा गया, जब वह अपने तापदीप्त लैंप में बल्बों के लैंप तंतुओ के टूटने और असमान कालाकरण (तन्तु के सकारात्मक सीमा के निकट सबसे गहरा) के कारण की खोज करने की कोशिश कर रहे थे।

एडिसन ने बल्ब के अंदर एक अतिरिक्त तार, धातु की प्लेट, या पन्नी के साथ कई प्रायोगिक लैंप बल्ब बनाए जो तन्तु से अलग थे और इस प्रकार एक इलेक्ट्रोड के रूप में काम कर सकते थे। उन्होंने अतिरिक्त धातु इलेक्ट्रोड के उत्पाद के लिए एक गैल्वेनोनोमीटर जोड़ा, इस उपकरण का प्रयोग आवेश के प्रवाह को मापने के लिए किया जाता था। यदि पन्नी को तन्तु के सापेक्ष नकारात्मक क्षमता पर रखा गया था, तो तन्तु और पन्नी के मध्य औसत मात्रा में कोई धारा उत्पादित नहीं होती थी। जब पन्नी को तन्तु के सापेक्ष एक सकारात्मक क्षमता के लिए उठाया गया था, तो तन्तु के मध्य निर्वात के माध्यम से पन्नी के मध्य एक महत्वपूर्ण धारा उत्पादित होती थी।

इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि तन्तु इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन कर रहा था, जो सकारात्मक रूप से आवेशित पन्नी की ओर आकर्षित थे, परंतु ऋणात्मक रूप से आवेशित नहीं थे। इस एकतरफा प्रवाह को एडिसन प्रभाव कहा जाता था। यद्यपि इस शब्द का प्रयोग कभी-कभी स्वयं ऊष्मीय उत्सर्जन को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। उन्होंने पाया कि गर्म तन्तु द्वारा उत्सर्जित धारा बढ़ते विभव के साथ तेजी से बढ़ी, और 15 नवंबर, 1883 को प्रभाव का उपयोग करके विभव-विनियमन उपकरण के लिए एक एकस्व आवेदन (यू.एस. एकस्व 307,031) दर्ज किया गया। यह विद्युतकीय उपकरणों के लिए पहला अमेरिकी एकस्व था। उन्होंने पाया कि टेलीग्राफ साउंडर को संचालित करने के लिए उपकरण के माध्यम से पर्याप्त धारा प्रवाहित होगी। यह सितंबर 1884 में फिलाडेल्फिया में अंतर्राष्ट्रीय विद्युत प्रदर्शनी में प्रदर्शित किया गया था। विलियम प्रीस , एक ब्रिटिश वैज्ञानिक, एडिसन प्रभाव के कई बल्बों को अपने साथ वापस ले गए। उन्होंने 1885 में उन पर एक लेख प्रस्तुत किया, जहां उन्होंने तापायनिक उत्सर्जन को एडिसन प्रभाव के रूप में संदर्भित किया। ब्रिटिश ताररहित टेलीग्राफी कंपनी के लिए काम कर रहे ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी जॉन एम्ब्रोस फ्लेमिंग ने पता लगाया कि एडिसन प्रभाव का उपयोग रेडियो तरंगों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। फ्लेमिंग ने वैक्यूम ट्यूब डायोड के रूप में जानी जाने वाली दो-तत्व वाली वैक्यूम ट्यूब विकसित की, जिसे उन्होंने 16 नवंबर, 1904 को एकस्व कराया।

तापायनिक डायोड को एक ऐसे उपकरण के रूप में भी समायोजित किया जा सकता है जो ताप के अंतर को बिना हिले हुए भागों के बिना सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

रिचर्डसन का नियम

1897 में जे जे थॉमसन की इलेक्ट्रॉन की पहचान के बाद, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी ओवेन विलन्स रिचर्डसन ने इस विषय पर कार्य करना प्रारंभ किया जिसे उन्होंने बाद में तापायनिक उत्सर्जन कहा। उन्हें 1928 में तपायनिक घटना पर उनके काम के लिए और विशेष रूप से उनके नाम पर नियम की खोज के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला।

बैंड सिद्धांत से, एक ठोस में प्रति परमाणु, एक या दो इलेक्ट्रॉन होते हैं जो परमाणु से परमाणु में जाने के लिए स्वतंत्र होते हैं। इसे कभी-कभी सामूहिक रूप से इलेक्ट्रॉनों के समुद्र के रूप में संदर्भित किया जाता है। उनके वेग एक समान होने के अतिरिक्त वे एक सांख्यिकीय वितरण का पालन करते हैं, और कभी-कभी एक इलेक्ट्रॉन के पास, वापस खींचे बिना धातु से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त वेग होता है। सतह को छोड़ने के लिए एक इलेक्ट्रॉन के लिए आवश्यक ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा को कार्य फलन कहा जाता है। कार्य, कार्य सामग्री की विशेषता है और अधिकांश धातुओं के लिए कई इलेक्ट्रॉन विभव के क्रम पर निर्भर करती है। कार्य फलन को घटाकर ऊष्मीय धाराओं को बढ़ाया जा सकता है। तार पर विभिन्न ऑक्साइड लेप लगाने से यह प्रायः-वांछित लक्ष्य प्राप्त किया जा सकता है।

1901 में ओवेन विलंस रिचर्डसन ने अपने प्रयोगों के परिणाम प्रकाशित किए: एक गर्म तार से प्रवाहित धारा, अरहेनियस समीकरण के समान गणितीय रूप से तार के तापमान पर तेजी से निर्भर करती प्रतीत हुई। बाद में, उन्होंने प्रस्तावित किया कि उत्सर्जन नियम का गणितीय रूप होना चाहिए

$J=A_{\mathrm {G} }T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}$

जहाँ J उत्सर्जन वर्तमान घनत्व है, T धातु का तापमान है, W धातु का कार्य फलन है, k बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है, और A_G आगे चर्चा की गई एक पैरामीटर है।

1911 से 1930 की अवधि में, जैसे-जैसे धातुओं में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की भौतिक समझ बढ़ी, A_G के लिए रिचर्डसन, शाऊल अनिमि, राल्फ एच.फाउलर, अर्नोल्ड सोमरफेल्ड और लोथर वोल्फगैंग नॉर्डहाइम द्वारा विभिन्न भौतिक मान्यताओं के आधार पर विभिन्न सैद्धांतिक अभिव्यक्तियाँ सामने रखी गईं। 60 से अधिक वर्षों के बाद, A_G की सटीक अभिव्यक्ति के रूप में रुचि रखने वाले सिद्धांतकारों के बीच अभी भी कोई सहमति नहीं है, परंतु इस बात पर सहमति है कि A_G प्रपत्र में लिखा होना चाहिए।

$A_{\mathrm {G} }=\;\lambda _{\mathrm {R} }A_{0}$

जहां λ_R एक सामग्री-विशिष्ट सुधार कारक है जो सामान्यतः 0.5 के क्रम का होता है, और A₀ निम्नलिखित सूत्र द्वारा दिया गया एक सार्वभौमिक स्थिरांक है

$A_{0}={4\pi mk^{2}q_{e} \over h^{3}}=1.20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}}$

जहां m और $-q_{e}$ क्रमशः एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान और प्राथमिक आवेश है, और h प्लैंक स्थिरांक है।

वास्तव में, लगभग 1930 तक सहमति थी कि इलेक्ट्रॉनों की तरंग जैसी स्वभाव के कारण, बाहर निकलने वाले इलेक्ट्रॉनों का कुछ भाग rav उत्सर्जक पृष्ठ पर पहुँचते हुए उलट जाता है, इसलिए उत्सर्जन धारा घनत्व कम हो जाता है, और λR का मूल्य (1-rav) हों जाता है। इस प्रकार, कभी-कभी तपायनिक उत्सर्जन समीकरण को निम्नलिकित रूप में लिखा जाता है

$J=(1-r_{\mathrm {av} })\lambda _{B}A_{0}T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}$.

यद्यपि, मॉडिनोस द्वारा एक आधुनिक सैद्धांतिक विवरण यह मानता है कि उत्सर्जक पदार्थ के बैंड संरचना को भी ध्यान में रखना चाहिए। इससे λR में दूसरा सुधारक प्रतिरूप λB प्रवेश करेगा, जो $A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}$ को प्रस्तुत करेगा।"सामान्य रूप से" सूचकांक AG के अनुभवी मान सामान्यतः A0 के क्रमांक के होते हैं, परंतु वे विभिन्न उत्सर्जक पदार्थों के मध्य बहुत अलग हो सकते हैं, और एक ही पदार्थ के विभिन्न ज्यामिति वाले उत्सर्जन मुखों के बीच भी भिन्न हो सकते हैं। कम से कम गुणात्मक रूप से, इन प्रायोगिक अंतरों को λ_R के मान में अंतर के कारण समझाया जा सकता है।

इस क्षेत्र की साहित्य में अत्यधिक भ्रम है क्योंकि: (1) कई स्रोत A_G और A₀ के बीच अंतर नहीं करते हैं, बल्कि बस चिह्न A (और कभी-कभी नाम "रिचर्डसन स्थिर" का उपयोग) का असंवेदनीय उपयोग करते हैं; (2) यहां λ_R द्वारा निर्दिष्ट सुधारक के साथ और बिना सुधारक के मानकों को एक ही नाम दिया जाता है; और (3) इन मानकों के लिए कई नाम होते हैं, जिसमें "रिचर्डसन समीकरण", "डुश्मन का समीकरण", "रिचर्डसन-डुश्मन समीकरण" और "रिचर्डसन-लौ-डुश्मन समीकरण" सम्मिलित हैं। साहित्य में, प्रारंभिक समीकरण कभी-कभी ऐसी परिस्थितियों में दिया जाता है जहां सामान्यीकृत समीकरण अधिक उपयुक्त होगा, और यह अपने आप में भ्रम उत्पन्न कर सकता है। भ्रम से बचने के लिए, किसी भी A-जैसे प्रतीक का अर्थ सदैव सम्मिलित अधिक मौलिक मात्राओं के संदर्भ में स्पष्ट रूप से परिभाषित किया जाना चाहिए।

चरघातांकी फलन के कारण, जब kT W से कम होता है तो तापमान तेजी से बढ़ता है।

तापायनिक उत्सर्जन नियम को हाल ही में विभिन्न प्रारूपों में 2डी सामग्री के लिए संशोधित किया गया है।

शोट्की उत्सर्जन

Main article: शोट्की प्रभाव

एक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी का शॉटकी-एमिटर इलेक्ट्रॉन स्रोत

इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन उपकरणों में, विशेष रूप सेइलेक्ट्रॉन गन में, तापायनिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक इसके परिवेश के सापेक्ष नकारात्मक पक्षपाती होगा। यह उत्सर्जक सतह पर E परिमाण का एक विद्युत क्षेत्र निर्मित करता है। क्षेत्र के बिना, एक फर्मी स्तर वाले निकलते इलेक्ट्रॉन के द्वारा देखी जाने वाली सतही बाधा की ऊंचाई उस स्थानिक कार्य-तंत्र के बराबर होती है। यह विद्युत क्षेत्र सतह अवरोध को ΔW की मात्रा से कम करता है, और उत्सर्जन धारा को बढ़ाता है। इसे 'शोट्की प्रभाव' (वाल्टर एच. शोट्की के नाम पर रखा गया) या क्षेत्र वर्धित तापायनिक उत्सर्जन के रूप में जाना जाता है। W को (W − ΔW) से प्रतिस्थापित करके रिचर्डसन समीकरण के एक साधारण संशोधन द्वारा इसे प्रतिरूपित किया जा सकता है। यह समीकरण देता है

$J(F,T,W)=A_{\mathrm {G} }T^{2}e^{-(W-\Delta W) \over kT}$

$\Delta W={\sqrt {{q_{e}}^{3}E \over 4\pi \epsilon _{0}}},$

जहां E₀ विद्युत स्थिरांक है, जिसे पहले निर्वात परावैद्युतांक भी कहा जाता था।

जहाँ क्षेत्र और तापमान दोनों इस संशोधित समीकरण के अनुपात में होतें है, वहाँ इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को शोटकी उत्सर्जन कहा जाता है। इस समीकरण का उपयोग वहाँ तक सीमित होता है जहाँ विद्युत फ़ील्ड की शक्ति 108 V m−1 से कम होती है। 108 V m⁻¹ से अधिक विद्युत क्षेत्र की शक्ति के लिए, एक नाम से जाने वाला फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग महत्वपूर्ण क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन धारा का योगदान देने लगता है। इस व्यवस्था में, ताप-क्षेत्र (टीएफ) उत्सर्जन के लिए मर्फी-गुड समीकरण द्वारा क्षेत्र-वर्धित तापायनिक और क्षेत्र उत्सर्जन के संयुक्त प्रभावों को प्रतिरूपित किया जा सकता है। इससे भी ऊंचे क्षेत्रों में, फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग प्रमुख इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन तंत्र बन जाता है, और उत्सर्जक तथाकथित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में संचालित होता है।

प्रकाश जैसे उत्तेजना के अन्य रूपों के साथ संपर्क करके तापायनिक उत्सर्जन को भी बढ़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, तापायनिक परिवर्तक में उत्तेजित सीएस-वाष्प सीएस-रयडबर्ग पदार्थ के समूह बनाते हैं जो 1.5 ईवी से 1.0-0.7 ईवी तक अभिग्राही उत्सर्जक कार्य फलन की कमी उत्पन्न करते हैं। रिडबर्ग परिप्रेक्ष्य की लंबे समय तक रहने वाली प्रकृति के कारण यह अल्प कार्य फलन कम रहता है जो अनिवार्य रूप से अल्प-ताप परिवर्तक की दक्षता को बढ़ाता है।

फोटॉन-वर्धित ऊष्मीय उत्सर्जन

फोटोन-वर्धित तापायनिक उत्सर्जन स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित एक प्रक्रिया है जो विद्युत उत्पन्न करने के लिए सूर्य के प्रकाश और ताप, दोनों का उपयोग करती है और सौर ऊर्जा उत्पादन की क्षमता को वर्तमान स्तरों से दोगुना से अधिक बढ़ा देती है। इस प्रक्रिया के लिए विकसित उपकरण 200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर चरम दक्षता तक पहुंचता है, जबकि अधिकांश सिलिकॉन सौर सेल 100 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने के बाद निष्क्रिय हो जाते हैं। ऐसे उपकरण परवलयिक डिश अभिग्रहियों में सबसे अच्छा कार्य करते हैं, जो 800 डिग्री सेल्सियस तापमान तक पहुँचते हैं। यद्यपि समूह ने अपने प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट उपकरण में गैलियम नाइट्राइड अर्द्धचालक का प्रयोग किया, तथा यह दावा करता है कि गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग उपकरण की दक्षता को 55-60 प्रतिशत तक बढ़ा सकता है, जो मौजूदा प्रणाली की तुलना में लगभग तिगुना है। और मौजूदा 43 प्रतिशत बहु-युग्म सौर सेल से 12-17 प्रतिशत अधिक है।

यह भी देखें

• अंतरिक्ष प्रभार

बाहरी कड़ियाँ

• How vacuum tubes really work with a section on thermionic emission, with equations, john-a-harper.com.
• Thermionic Phenomena and the Laws which Govern Them, Owen Richardson's Nobel lecture on thermionics. nobelprize.org. December 12, 1929. (PDF)
• Derivations of thermionic emission equations from an undergraduate lab, csbsju.edu.