열전자

요약 높은 온도로 가열한 금속이나 반도체 표면에서 방출되는 전자.

텅스텐과 같은 금속물질로 만들어진 필라멘트를 뜨겁게 하면, 필라멘트 속의 전자는 물질의 구속을 깰 수 있는 큰 에너지를 얻게 된다. 이렇게 큰 에너지를 얻어 필라멘트의 밖으로 튀어 나온 전자를 열전자라고 한다. 그리고 이렇게 열운동에 의해 활발해진 고체 속 전자가 모체의 구속을 깨고 밖으로 튀어나오는 현상을 에디슨효과(리처드슨효과·열전자방출)라고 한다. 물질에 따라 열전자가 튀어 나오는 온도가 다르며, 텅스텐과 같은 알카리토 금속은 다른 금속들에 비해 낮은 온도에서도 열전자가 잘 방출된다.

고체 밖으로 튀어 나온 전자는 전위차에 의해 흐름이 발생할 수 있다. 즉, 열전자방출체(열음극)에 대하여 양전위(陽電位)인 양극을 두면, 열전자의 이동에 의하여 전류가 발생하고 이를 열전자전류라고 한다.



열전자를 이용한 대표적인 예로 형광등을 들 수 있다. 형광등에 전원을 연결하면 형광등 끝부분의 필라멘트에 전류가 흐르고, 필라멘트가 뜨거워지면서 열전자가 방출된다. 방출된 열전자는 전위차에 의하여 양극으로 이동하면서 충분한 에너지를 얻고, 관 안의 수은이나 아르곤의 기체분자와 충돌한다. 그러면 기체분자가 여기(勵起, 들뜬상태)되었다가 안정상태로 돌아오면서 빛을 낸다. 그 외에도 브라운관을 사용한 모니터나 TV도 같은 원리로 열전자를 사용한다. 한편, 열전자의 방출속도가 온도에 따라 달라지는 현상을 이용하여 열을 직접 전력으로 변환시키는 열전자발전도 가능하다.