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2025-01-05T15:43:23Z

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Der '''Edison-Richardson-Effekt''' (auch '''glühelektrischer Effekt''', '''Glühemission''', '''thermionische Emission''', '''Edison-Effekt''' oder '''Richardson-Effekt''') beschreibt die Aussendung von [[Elektron]]en aus einer geheizten [[Glühkathode]] (meist im [[Vakuum]]). Die Mindesttemperaturen liegen oberhalb von 900 K und hängen stark vom Material der Oberfläche ab.

[[Datei:Edison-richardson-effekt.gif|mini|Der Edison-Richardson-Effekt an einer Elektronen-„Röhre“]]

== Allgemeines ==
Die Elektronen überwinden aufgrund ihrer [[Thermische Energie|thermischen Energie]] die charakteristische [[Austrittsarbeit]] des Metalls bzw. der Oxidschicht. Werden die freien Elektronen nicht durch ein [[elektrisches Feld]] abgesaugt, bilden sie um die Glühkathode im Vakuum eine [[Raumladung]]swolke aus und laden in der Nähe befindliche Elektroden gegenüber der Kathode negativ auf. Dieser Effekt kann zur direkten Umwandlung thermischer in elektrische Energie genutzt werden. Der Wirkungsgrad dieses [[Thermionischer Generator|thermionischen Generators]] ist allerdings gering.

Für technische Anwendungen ist man bestrebt, die erforderliche Temperatur der Glühkathode möglichst gering zu halten, indem Materialien mit geringer Austrittsarbeit verwendet werden. Dies führte zur Entwicklung der [[Oxidkathode]].

== Geschichte ==
[[Datei:Edison light bulb with plate.jpg|mini|Historische Glühlampe, an der Edison den Effekt beobachtete]]
Der Effekt wurde erstmals 1873 von [[Frederick Guthrie (Physiker)|Frederick Guthrie]] beschrieben. Er entdeckte, dass ein positiv geladenes [[Elektroskop]] entladen wird, wenn man ein geerdetes, glühendes Metallstück in die Nähe brachte.<ref>{{Literatur | Autor = Felix Auerbach | Herausgeber = Felix Auerbach | Titel = Elektrizität und Magnetismus | Sammelwerk = Entwicklungsgeschichte der Modernen Physik: Zugleich Eine Übersicht Ihrer Tatsachen Gesetze und Theorien | Ort = Berlin, Heidelberg | Verlag = Springer | Jahr = 1923 | ISBN = 978-3-642-50951-3 | Seiten = 241–278, 263 | DOI= 10.1007/978-3-642-50951-3_16}}</ref> Bei negativ geladenem Elektroskop passiert nichts, woraus folgte, dass glühendes Metall nur negative Ladung abgeben kann.

[[Thomas Edison]] hat diese Erscheinung im Jahr 1880 bei Experimenten mit Glühlampen wiederentdeckt und meldete 1883 eine darauf beruhende Anwendung zum Patent an.<ref>{{Patent|Land = US|V-Nr = 307031|Titel = Electrical Indicator |V-Datum = 1884-10-21|A-Datum = |Erfinder = T. A. Edision}}</ref> [[Julius Elster]] und [[Hans Friedrich Geitel]] untersuchten zwischen 1882 und 1889 systematisch die von einem heißen Draht abgegebene Ladung.<ref name="Rich" /> Die Sättigungsstromdichte wurde 1901 von [[Owen Willans Richardson]] rechnerisch in der Richardson-Gleichung erfasst, wofür er 1928 mit dem [[Nobelpreis für Physik]] ausgezeichnet wurde.<ref name="Rich">{{Literatur |Autor=Owen W. Richardson |Titel=Thermionic phenomena and the laws which govern them |Datum=1929-12-12 |Kommentar=Nobelpreisvortrag |Online=[http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1928/richardson-lecture.pdf nobelprize.org] |Format=PDF |KBytes=}}</ref>

== Richardson-Gleichung ==
Die '''Richardson-Gleichung''' beschreibt die [[Elektrische Stromdichte|Stromdichte]] ''J'' der aus einem Metall bei hohen Temperaturen austretenden Elektronen. Sie lautet

: <math>J = A T^2 \mathrm e^{-\frac{W_\mathrm{e}}{k_\mathrm{B}T}}</math>,

hierbei ist ''T'' die Temperatur, ''W''<sub>e</sub> die Auslösearbeit für Elektronen, ''k''<sub>B</sub> die [[Boltzmann-Konstante]] und ''A'' die ''Richardson-Konstante''.

Die Auslösearbeit für Elektronen liegt im Allgemeinen etwa 1 bis 6 [[Elektronenvolt|eV]]. Die Richardson-Konstante hängt vor allem vom verwendeten Metall und von der Oberflächenbeschaffenheit ab und liegt bei knapp <math>10^6 \tfrac{\mathrm{A}}{\mathrm{m^2 K^2}}</math>. Für Metalloxide liegt sie weitaus niedriger.

Nach [[Saul Dushman]] (1883–1954) kann die Richardson-Konstante wie folgt abgeschätzt werden<ref>{{Literatur |Autor=Saul Dushman |Titel=Electron Emission from Metals as a Function of Temperature |Sammelwerk=Phys. Rev. |Band=21 |Nummer=6 |Datum=1923 |Seiten=623–636 |DOI=10.1103/PhysRev.21.623}}</ref>:

: <math>A = \frac{4 \pi\;\! m k_\mathrm{B}^2 e}{h^3} = 1{,}20173 \cdot 10^6\,\frac{\mathrm{A}}{\mathrm{m^2\,K^2}}</math>

Dabei ist ''m'' die [[Elektronenmasse]], ''e'' die [[Elementarladung]] und ''h'' die [[Planck-Konstante]]. Die Gleichung

: <math>J = \frac{4 \pi\;\! m e}{h^3} (k_\mathrm{B} T)^2 \mathrm e^{-\frac{W_\mathrm{e}}{k_\mathrm{B}T}}</math>

wird auch als '''Richardson-Dushman-Gleichung''' bezeichnet.<ref>{{Literatur |Autor=Neil W. Ashcroft, N. David Mermin |Titel=Solid State Physics |Verlag=Saunders College Publishing |Ort=New York |Datum=1976 |ISBN=0-03-083993-9 |Seiten=362-364}}</ref>

Ein Korrekturterm zur Austrittsarbeit ergibt sich bei sehr hoher Feldstärke durch den [[Schottky-Effekt]]. In diesem Arbeitsbereich spricht man von ''Schottky-Emission''.

== Anwendungen ==
Die Glühemission wird zur Erzeugung freier [[Elektron]]en in [[Elektronenröhre]]n verwendet. Darin fließt in einem hochevakuierten Gefäß zwischen der direkt oder indirekt beheizten Glühkathode und der Anode ein (Elektronen-)Strom, der ggf. durch dazwischenliegende Gitter gesteuert werden kann.
Elektronenröhren ermöglichen die Verstärkung von elektrischen Signalen, im Tonfrequenzbereich und im Hochfrequenzbereich, bei Sendern und Empfängern.
Mit Elektronenröhren wurde es möglich, nicht nur [[Morsezeichen]], sondern auch Sprache, Musik und Bilder zu übertragen.

Die [[Kathodenstrahlröhre|Elektronenstrahlröhre]] (braunsche Röhre) besteht aus einer [[Elektronenstrahl]]-Quelle mit anschließendem Ablenksystem. Anwendungen:
* zum Elektronenstrahlschmelzen und [[Elektronenstrahlverdampfer|Elektronenstrahlverdampfen]] und Elektronenstrahlschweißen, auch im [[Rasterelektronenmikroskop]].
* mit [[Leuchtschirm]] als [[Bildröhre]] in alten Fernsehern und [[Oszilloskop]]en.

[[Leuchtstofflampe]]n mit heißer Kathode benutzen ebenfalls Glühemission. Bei vielen anderen [[Gasentladungslampe]]n und auch [[Kohlenbogenlampe]]n erhitzen sich die Elektroden durch die Entladung ebenfalls so weit, dass Glühemission eine Rolle spielt. ''Nicht'' der Fall ist dies jedoch bei [[Kaltkathodenröhre]]n wie [[Leuchtröhre]]n oder [[Glimmlampe]]n sowie bei [[Blitzröhre]]n.

Glühemission wird weiterhin bei [[Thyratron]]s, [[Magnetron]]s, [[Klystron]]s, [[Wanderfeldröhre]]n und [[Vakuum-Fluoreszenzanzeige]]n verwendet. Auch hier dient sie der Erzeugung freier Elektronen.

Mit Hilfe der Glühemission kann die [[Austrittsarbeit]] bestimmt werden. Durch das [[Elektrisches Feld|elektrische Feld]], welches benötigt wird, um die Elektronen von der [[Kathode]] zu entfernen, wird diese aber beeinflusst, sodass man den gemessenen Strom auf Feldstärke <math>E=0</math> [[extrapolieren]] muss.

== Nachteilige Auswirkungen der Glühemission ==
Glühemission ist bei [[Steuergitter]]n von [[Elektronenröhre]]n (wenn also das Gitter aufgrund von Erhitzung glüht) unerwünscht; hier führt sie zur sogenannten Gitteremission und zu hinderlichem Gitterstrom, der den [[Arbeitspunkt]] verschieben kann. Leistungsröhren erhalten darum meist Kühlfahnen (Strahlungskühlung) an den Enden der Gitter-Trägerstäbe; letztere sind zur guten Wärmeleitung meist aus Kupfer.

== Verwandte Effekte ==
* Äußerer [[Photoelektrischer Effekt|Fotoeffekt]]
* [[Feldemission]]

== Weblinks ==
* [http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/gluehelektrischer-effekt/gluehelektrischer-oder-edison-effekt Animierte Veranschaulichung des Glühelektrischen Effekts] ([[LEIFI]])

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4185126-2|LCCN=sh85134769}}

[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Leuchtmitteltechnik]]
[[Kategorie:Thomas Alva Edison]]
[[Kategorie:Elektronenstrahltechnologie]]

Edison-Richardson-Effekt - Versionsgeschichte

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