El efecto termoiónico (I)

En anteriores ocasiones ya hablamos sobre la ionización mediante campos eléctricos muy intensos e incluso mediante la aplicación de calor con una llama, a este último fenómeno se le conoce como efecto termoiónico y vamos a ver más en profundidad cómo es ese proceso de ionización y en qué consiste. 

Los metales están compuestos por átomos en los que a su alrededor circulan sus electrones describiendo órbitas entorno a su núcleo. 

La distancia que separa las diferentes órbitas que recorren los electrones alrededor del núcleo del átomo van en función de la propia energía que poseen dichos electrones, de tal manera que cuanta mayor energía tienen, mayor capacidad albergan para alejarse del núcleo, esto es porque los electrones tienen carga negativa y los protones que forman parte del núcleo tiene carga positiva, así que como cargas de distinto signo se atraen, el núcleo ejerce una fuerte atracción sobre el electrón, de este modo para que pueda alejarse, tendrá que poseer más energía y así podrá distanciarse aún más. 

Desplazamiento de electrones libres en un metal

De tal modo que se puede afirmar que el electrón más alejado del núcleo es el que tiene mayor energía propia, de hecho estos electrones están tan alejados que la fuerza de atracción con respecto al núcleo es tan débil que a veces pueden escaparse del átomo convirtiéndose en un electrón libre, cuando esto ocurre, el átomo que se ha quedado con un electrón de menos pasa a convertirse en un ion positivo ya que ahora posee más protones que electrones, y la carga resultante del átomo será entonces positiva. 

Pero ahora este ion positivo al tener una carga total positiva va a tratar de volver a un estado neutro y para ello tiene que obtener como sea otro electrón, y como resulta que los átomos que tiene a su alrededor también poseen electrones muy alejados del núcleo y ahora nuestro ion positivo tiene una carga positiva, va a ejercer una fuerte atracción sobre cualquier otro electrón que se acerque, y se lo quitará del átomo más próximo, (o de cualquier otro electrón libre que se acerque demasiado), ahora este nuevo átomo que se ha quedado sin un electrón intentará volverse neutro como el anterior, repitiéndose así una y otra vez el mismo proceso. 

Dicho de otra manera, dentro del metal tendremos un movimiento continuo de electrones libres circulando y chocando de un lado a otro, pero siempre se mantienen dentro del metal porque aunque un electrón libre posee más energía que cuando está ligado a un átomo no es lo suficientemente fuerte, y siempre se verá atraído por esos iones positivos que otros electrones han creado al abandonar los átomos. 

Emisión de electrones por calentamiento del metal

Todo esto sucede a temperatura ambiente, pero si aportamos calor al metal estamos aplicando una energía extra a esos electrones, por lo que estos electrones libres aumentarán su velocidad de desplazamiento, y ocurre que, cuando se calienta lo suficiente, estos electrones libres pueden alcanzar tal energía que su velocidad sea tan elevada como para contrarrestar la fuerza de atracción de esos iones positivos y escapar por completo de la estructura metálica. 

Esto quiere decir que cuando un electrón consigue escaparse fuera del átomo obtenemos un ion positivo y si además también consigue escapar de la estructura metálica, como resultado obtendremos un metal cargado positivamente. 

Pero como no vamos a creernos esto porque si, vamos a demostrarlo con el siguiente experimento, que consiste en una bombilla recubierta con una malla metálica, en este caso el metal que vamos a calentar va a ser el filamento haciendo circular una corriente eléctrica a través de él para que se ponga incandescente, esto producirá una emisión de electrones por parte de este, por lo que el filamento se quedará cargado positivamente al tener un defecto de electrones, y esos electrones los recogeremos con la malla metálica que recubre la bombilla.

Vista del montaje para el experimento

Para demostrarlo conectaremos la punta de prueba de un polímetro a un extremo de la conexión del filamento y la otra punta a la malla, comprobando que en el lado del filamento al emitir este electrones quedará cargado positivamente (punta de prueba roja) y se convertirá en este caso en el polo positivo.

A su vez, como el filamento está conectado a la malla exteriormente a través del polímetro, el propio filamento al quedar cargado positivamente va comenzar a coger electrones de todo aquello a lo que esté unido eléctricamente, en este caso la malla, por lo que esta se volverá positiva precisamente por carecer ahora de electrones y que también tratará de recuperar esos electrones que le faltan.

De este modo, algunos de los electrones emitidos al vacío por el filamento, se verán atraídos por esta malla que es positiva y en la que parte de los electrones tenderán a acumularse ya que no todos pueden volver al filamento a través del cable exterior debido a la alta resistencia que ofrece el polímetro, y por tanto, tendrá  poco a poco un exceso de electrones y la malla se convertirá en el polo negativo (punta de prueba negra). 

Como se observa en la siguiente imagen se produce una diferencia de potencial, entre filamento y malla, y el polímetro registra esa tensión.

Esquema del montaje

También podemos ver que si invertimos la conexión de las puntas de prueba la lectura aparece con un valor negativo, por lo que, aunque el filamento está alimentado con una corriente alterna, se está generando una tensión continua entre filamento y malla, es decir una tensión que posee polaridad. 

Inversión de la polaridad de las puntas de prueba

Emisión de electrones desde el filamento

Y otra cosa muy importante, los electrones solo pueden circular del filamento a la malla y no en sentido contrario. Más adelante veremos la importancia que tiene este fenómeno. 

En el siguiente vídeo podemos ver cómo se desarrolló el experimento y ver que la diferencia de potencial es proporcional a la intensidad luminosa de la bombilla, es decir, que cuanto más caliente esté el filamento, la emisión de electrones será mayor y mayor será la diferencia de potencial.

Al desconectar una punta, la tensión es nula aún cunado la otra punta está conectada a la fase

Detalle de la separación total de la malla a cualquier otro elemento conductor