¿Por qué los electrones no pueden abandonar la superficie de un conductor?

Question

A temperatura ambiente, ningún electrón libre puede abandonar la superficie del metal. Un electrón libre no puede escapar de las fuerzas de atracción coulombiana (eléctrica) que presentan los iones metálicos positivos de la red. (Veremos más adelante que en condiciones especiales, utilizando mecanismos únicos, es posible que los electrones escapen)

Fuente: http://www.amazon.ca/Practical-Electronics-Inventors-Third-Edition/dp/0071771336

No entiendo por qué los electrones no pueden salir de la superficie. Aunque hay una fuerza de atracción de los iones positivos hay una fuerza de repulsión casi igual de los otros electrones libres. Así que la fuerza neta debería ser casi cero, por lo que incluso un pequeño voltaje debería ser suficiente para conseguir que los electrones libres abandonen la superficie, ¿verdad? ¿Qué me falta?

Le rogamos que las respuestas sean relativamente sencillas. Sólo tengo conocimientos básicos de física y química.

Answer 1

Bueno, ¿qué pasa si intentas eliminar una enorme cantidad de electrones del cable? Dejarás atrás los iones metálicos positivos, por lo que el cable se cargará positivamente. Esto tira fuertemente de los electrones que estás tratando de eliminar.

Lo mismo ocurre con un solo electrón. Será atraído hacia el cable por la carga positiva que queda. Y esta atracción es mucho más fuerte cuando el electrón está cerca de la superficie del cable.

Detalles: tirar de un electrón un poco fuera de la superficie del metal. Ahora este electrón individual no cancelado puede repeler a los electrones móviles del cable, dejando expuestas las cargas positivas. Las cargas positivas atraen al electrón retirado. Pero si alejamos el electrón, la mancha de cargas positivas se hace más amplia y en general más débil. La atracción es fuerte cuando el electrón se retira por primera vez, y menor cuando se aleja de la superficie del metal. Hay una regla física para cubrir esto: la carga positiva en el metal se comporta como un solo electrón negativo, y actúa como una imagen especular del electrón que se retira. (Busca "carga de imagen").

Y lo que el libro probablemente discute después es... filamentos calientes. Si el cable está muy caliente, algunos de los electrones móviles se desplazan lo suficientemente rápido como para volar una gran distancia del cable antes de ser arrastrados de vuelta. El filamento caliente de una bombilla o de un tubo de vacío está rodeado por una nube de electrones.

Answer 2

Creo que el autor no ha utilizado la palabra "nunca" de una manera muy poco precisa. Como un electrón que se escapa dejaría una carga positiva neta en el metal, se requiere un aporte de energía para separar el electrón del material. Esto crea una "barrera energética" (llamada función de trabajo del material) que debe superarse para que los electrones puedan escapar. Por lo tanto, los electrones no espontáneamente abandonar una superficie metálica --- algo debe proporcionar energía para que lo hagan. De hecho, hay varias formas de superar la barrera energética e inducir a los electrones a abandonar la superficie de un metal.

En un filamento caliente, el metal simplemente se calienta hasta una temperatura en la que una fracción de los electrones tiene suficiente energía para escapar del metal. Esto se denomina emisión termiónica y es el principio de funcionamiento de muchos tubos de vacío.

En el efecto fotoeléctrico Una onda electromagnética aplicada transfiere energía a los electrones, permitiéndoles escapar del metal. Este efecto se utiliza en dispositivos como tubos fotomultiplicadores .

Por último, basta con aplicar un campo eléctrico suficiente, como en un espacio de chispa puede permitir que los electrones se escapen. Como algunos comentarios aluden, una forma puntiaguda de un electrodo hará que el campo eléctrico se concentre en el punto, y se utiliza a menudo para crear un hueco de chispa con una tensión de ruptura más baja.