爱迪生效应

美国科学家托马斯·爱迪生1883年5月13日发现的效应

爱迪生效应，是美国著名的科学家托马斯·爱迪生1883年5月13日发现的，但却要从1877年说起。这一年爱迪生发明碳丝电灯之后，应用不久即出现了寿命太短的问题：因为碳丝难耐电火高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也完结了。爱迪生千方百计设法改进，1883年他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。经过反复试验，碳丝虽然蒸发如故，但他却从这次失败的试验中发现了一个稀奇现象，即碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过。铜线与碳丝并不联接，哪里来的电流？难道电流会在空中飞渡不成？在当时，这是一件不可思议的事情，敏感的爱迪生肯定这是一项新的发现，并想到根据这一发现也许可以制成电流计、电压计等实用电器。为此他申请了专利，命名为“爱迪生效应”。

简介

爱迪生效应是一种通过热激发发射载流子的方式。这个现象发生的原因是，提供给载流子的热能使它们能够克服束缚位能（在金属材料中，这束缚位能也被称为功函数或逸出功）。通过热发射产生的载流子可能是电子或者离子。发射载流子之後原始区域会产生一个於被发射载流子总和大小相同、极性相反的载流子。不过，如果发射极连接在电池上，则物体上产生的电荷会立即被电池提供的载流子中和掉，最终发射极会达到电平衡，重新回到之前的状态。产生电子的热发射被称为热电子发射。

英国物理学家弗莱明却根据“爱迪生效应”发明了电子管（即二极管）。随后，人们又在弗莱明二极管的基础上制成了三极管，促成了世界上第一座无线电广播电台于1921年在美国匹兹堡市建立，使无线电通讯野火春风般迅速出现在了世界各地。

意义

1883年爱迪生在研制和改进电灯泡时，在加热的灯丝及其附近的防污染金属片间接上电流计，观察到电流计中有电流通过，这种偶然的发现就是所谓爱迪生效应。这个效应是由加热灯丝向周围空间发射出热蒸发电子，从而在灯丝与金属片间形成电流。由于这个效应同后来的电子发现、热电子发射的发现、真空二极管的发明密切相关，因此在科学史上具有重要意义。

当高强度脉冲激光照射不透明材料时，由于材料强烈吸收光而瞬时产生加热、融化、蒸发、溅射，导致材料局部破坏。联想到爱迪生效应，研究了脉冲激光辐照靶所产生抛射物的电性质，在靶前面的邻近区域中观察到空间脉冲电信号。研究这种信号，对于了解激光破坏材料的机理及激光加工技术具有重要意义。

讨论

当脉冲激光聚焦照射到金属表面时，由于光的功率密度很大，金属吸收光而快速加热当其温度达到熔点后又继续以熔液的形式被加热，直到温度升至汽化点而被汽化。在此加热过程中，伴随着热电子发射和热离子发射。由于电子的逸出功比离子的逸出功小得多，故电子在较低的温度下就开始发射，而离子只有在高得多的温度才发射。电子发射在先，而且电子质量远小于正离子，在加热所产生的蒸发汽流中电子比正离子以较高速度飞离金属靶。在金属熔化后，由于熔化金属急速膨胀的挤压力及蒸汽的反冲力作用，熔液产生溅射。在溅射物中既有带电粒子，又有中性粒子和小液滴。由于电子质量小，这种溅射作用造成电子更远离金属靶。这种正负电荷的空间分离作用，必然在靶前面的相邻空间中造成一个空间电位差，从而可在实验中观测到电信号。由于激光脉冲辐照靶产生加热、熔化、蒸发、溅射等一系列过程所涉及的因素极为复杂，所以在理论上尚难以用一个数学公式表述所产生电位差的空间分布形式。

显然，所观察到的电信号强弱和波形，同脉冲激光的强弱及波形密切相关。作用光强时所产生的加热、熔化、蒸发和溅射作用强，从而所产生的电子发射、离子发射和溅射作用更强，所产生的空间信号相应增加。由于普通脉冲激光由大量张弛振荡的小尖峰脉冲构成，故所产生的电信号也具有类似结构。

同样，所观察到电信号同靶材料的光学性质、热学性质和电学性质密切相关。光对金属的作用过程，涉及到金属对光的吸收系数，金属的比热、比重、熔点、沸点、熔化热、汽化热和热传导系数，以及综合参量热扩散系数、蒸发比能、电子逸出功和离子逸出功率等参量。例如，金属铜的热扩散系数、蒸发比能、电子逸出功、离子逸出功、熔点和沸点等参量的比金属铝的相应参量大，故在相同激光脉冲辐照下，铜靶所产生的电信号比铝靶弱。

总结

当普通脉冲激光辐照靶时，由于金属材料局部被快速强烈加热而产生强的电子发射、离子发射及带电粒子的溅射作用，在靶前面出现正负电荷的空间分离，从而产生空间电信号。由于聚焦脉冲激光作用区域小，光功率密度大，故产生的电信号较强。这种电信号同材料的加热及破坏情况密切相关，因此可用于与激光破坏材料有关的应用领域。只要选择合适的靶材料，在聚焦脉冲激光的作用下，将可能作成强的微型电子发射源或离子发射源。

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