θερμοηλεκτρονικό ή θερμιονικό φαινόμενο

Ιδιότητα των μετάλλων να εκπέμπουν ηλεκτρόνια σε συσχετισμό με τη θερμοκρασία τους (θα πρέπει να είναι σχετικά μεγάλη) και τη χημική τους σύσταση. Η εκπομπή των ηλεκτρονίων, που εξαρτάται από την κινητική τους ενέργεια, είναι ανάλογη προς την απόλυτη θερμοκρασία του μετάλλου. Με την αύξηση δηλαδή της θερμοκρασίας, αυξάνει ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων (θερμοηλεκτρονίων) που αποκτούν μια κινητική ενέργεια ικανή, ώστε να υπερνικήσουν τις δυνάμεις που τα συγκρατούν μέσα στο μέταλλο και να εξέλθουν από αυτό. Η εκπομπή όμως των ηλεκτρονίων δημιουργεί γύρω από το μέταλλο (κάθοδο) ένα αρνητικό φορτίο χώρου που συνήθως καλείται νέφος ηλεκτρονίων, ενώ ταυτόχρονα το μέταλλο φορτίζεται θετικά εξαιτίας της στέρησης των ηλεκτρονίων του. Δημιουργείται έτσι μεταξύ φορτίου χώρου και του υψηλής θερμοκρασίας μετάλλου (κάθοδος) ένα ηλεκτρικό πεδίο, που όταν αυτό αποκτήσει μία ορισμένη ένταση, αποκαθίσταται μια μορφή ισορροπίας κατά την οποία όσα ηλεκτρόνια βγαίνουν από το μέταλλο, στη μονάδα του χρόνου, άλλα τόσα ξαναγυρίζουν σε αυτό. Για να μπορέσουμε να μελετήσουμε το φαινόμενο και να βρούμε πόσα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από το μέταλλο, θα πρέπει να υπάρχει ένα αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο, που να τα κατευθύνει προς ένα ηλεκτρόδιο συλλογής (άνοδος). Για τον σκοπό αυτό το ηλεκτρόδιο συλλογής έχει ένα δυναμικό υψηλότερο (θετικό) από εκείνο της καθόδου. Το φαινόμενο, που για να το παρατηρήσουμε χρησιμοποιούμε έναν σωλήνα κενού (ηλεκτρονικός σωλήνας που περιέχει τα δύο παραπάνω ηλεκτρόδια), εξαρτάται από τη διαφορά δυναμικού V μεταξύ ανόδου-καθόδου, από την απόλυτη θερμοκρασία Τ της καθόδου, από την επιφάνειά της S και από τη χημική της σύσταση. Με τις προϋποθέσεις αυτές έχουμε μια κίνηση ηλεκτρονίων από την κάθοδο προς την άνοδο που συνιστά ένα ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο συνήθως καλείται ανοδικό, αφού συλλέγεται στο ηλεκτρόδιο της ανόδου. Από μια ορισμένη τιμή και άνω της εφαρμοζόμενης τάσης V_α και με τη θερμοκρασία σταθερή, το ανοδικό ρεύμα I_α παύει να αυξάνει και φτάνει σε μια τιμή που ονομάζεται ρεύμα κόρου. Τότε, όλα τα ηλεκτρόνια που εξάγονται από το μέταλλο φθάνουν στην άνοδο με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη η περαιτέρω αύξηση του ρεύματος. Το μέγιστο αυτό ρεύμα εξαρτάται από τη γεωμετρική μορφή, τη φύση και προπάντων από τη θερμοκρασία της καθόδου. Πράγματι, με τις συνθήκες αυτές η εφαρμοζόμενη τάση είναι επαρκής για να συλλέξει η άνοδος όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο και μια περαιτέρω αύξηση της τάσης ανόδου αποδεικνύεται τελείως ανώφελη στην περίπτωση που θα ήταν επιθυμητή η αύξηση στην ένταση του ρεύματος. Η αύξηση της έντασης του ρεύματος είναι δυνατή μόνο αν αυξηθεί η θερμοκρασία της καθόδου και ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από αυτήν.