Najpierw należy zastanowić się jak wygląda struktura atomowa metali. Wiadomo ,że jest to sieć w węzłach której znajdują się dodatnio naładowane jony, Natomiast między węzłami takiej sieci krążą swobodne elektrony, które zostały oderwane od atomów. Mogą on swobodnie poruszać się wewnątrz sieci metalicznej. Dopóki taki metal znajduje się w temperaturze pokojowej to elektrony takie nie mogą wyjść poza obszar metalu ze względu na to, że ulegają przyciąganiu przez dodatnio naładowane jony z węzłów sieci. Maja za małą energię kinetyczną aby móc pokonać to oddziaływanie czyli wykonać tzw. pracę wyjścia. Natomiast gdy temperatura danego metalu zostanie podwyższona do określonej dla niego wartości to elektronom zostaje dostarczona wystarczająca ilość energii kinetycznej, aby tą pracę wyjścia pokonać samodzielnie. W takiej sytuacji dochodzi do opuszczania powierzchni metalu przez te swobodne elektrony. Zjawisko to nosi nazwę termoemisji czyli emisji elektronów pod wpływem temperatury.
Natomiast elektrony wyzwolone z powierzchni metalu pod wpływem temperatury noszą nazwę elektronów termoemisyjnych.
Jak już zostało wspomniane warunkiem koniecznym do zajścia tego rodzaju procesu jest to, aby energia kinetyczna elektronów była większa od pracy wyjścia. Temperatura, powyżej której to założenie jest spełnione dla danego metalu nosi nazwę temperatury temoemisji.
Każdy metal ma swoją temperaturę termoemisji. Są one stosunkowo wysokie. I tak np. dla wolframu temperatura termoemisji wynosi 1800 stopni C, a dla strontu i cezu około 600 stopni C.
Badania pokazują, że wraz z podwyższaniem się temperatury wzrasta również ilość elektronów uwalnianych z powierzchni metali. Okazuje się , ze ta zależność jest bardzo duża. Definiuje ją prawo termoemisji, które zostało sformułowane przez Richardsona i właśnie pod taką nazwa jest znane. Prawo to podaje zależność gęstości prądu emisji od temperatury bezwzględnej. Ma ono postać:
We wzorze tym I
oznacza natężenie prądu, który jest emitowany z 1 cm kwadratowego powierzchni metalu. A i a są to stałe charakterystyczne dla danego metalu.
Na zjawisku termoemisji opiera się działanie lamp elektronowych takich jak np. dioda i trioda.
Do konstrukcji pierwszej lampy elektronowej doszło w 1904 roku. Dokonał tego A. Fleming. Okazało się bardzo szybko, że są to pożyteczne urządzenia i znaleziono dla nich rozmaite zastosowania. Na początku na lampach elektronowych bazowała radiotelegrafia wykorzystująca lampy elektronowe do generowania drgań czy do wzmacniania sygnałów.
Jednym z przykładów lampy elektronowej jest dioda. Ma ona postać szklanej bańki, której wnętrze jest opróżnione z powietrza. We wnętrzu znajdują się dwa podstawowe elementy diody, a mianowicie katoda i anoda. Katodę stanowi drut wykonany z metalu, którego temperaturę się podnosi wykorzystując do tego celu prąd elektryczny. Drugą elektrodę stanowi anoda. Ma ona postać cylindra, który otacza katodę.
Gdy temperatura katody zostanie podniesiona do odpowiedniej wartości za pomocą prądu płynącego w obwodzie żarzenia wtedy rozpoczyna się emisja termoelektronów. Po niedługim czasie dochodzi do ustalenia się stanu równowagi i termoemisja zostaje zahamowana. Dzieje się tak ponieważ emitowane elektrony nie uciekają od katody na duże odległości, ale pozostają wokół niej w postaci " chmury elektronowej". I to właśnie one zahamowują dalszą termoemisję na drodze odpychania elektrostatycznego.
I teraz gdy do anody zostanie podłączone dodatni biegun źródła napięcia a do katody ujemny to wówczas elektrony, które są zgromadzone przy katodzie będą ulegały przyciąganiu przez anodę. Wtedy nadal zachodzi termoemisja z katody. Dzięki takiemu zjawisku dochodzi do ciągłego przepływu prądu zwanego prądem anodowym. Wielkość tego prądu anodowego uzależniona jest od temperatury katody. Jak wcześniej zostało powiedziane im temperatura katody jest wyższa tym więcej elektronów emituje. Oznacza to również większa liczbę elektronów docierających do anody. Okazuje się , ze otrzymuje się wykładniczą zależność natężenia prądu anodowego od temperatury. Jest to całkowicie zgodne z prawem termoemisji Richardsona.
Na przebieg prądu anodowego wpływa napięcie , jakie zostanie przyłożone miedzy elektrody. Jeśli nastąpi wzrost napięcia przyłożonego do anody, czyli napięcia dodatniego to w takim przypadku dojdzie do zwiększania się prądu anodowego do wartości określonej pojęciem prądu nasycenia. Wartość napięcia odpowiadająca prądowi nasycenia nosi nazwę napięcia nasycenia. Sytuacja, która odpowiada prądowi nasycenia to cała liczba emitowanych elektronów docierająca do anody. Gdy to nastąpi dalsze zwiększanie napięcia nie ma sensu.
Jeśli zamieni się bieguny i do anody zostanie przyłożone napięcie ujemne to spowoduje to , że prąd anodowy całkowicie zaniknie. Nastąpi stan określany pojęciem zablokowania diody. Stanie się tak ponieważ elektroda naładowana ujemnie będzie teraz odpychała elektrony i nie będą one mogły podążać w jej kierunku.
Zależność prądu anodowego od wartości napięcia przyłożonego do anody nazywa się charakterystyką anodową diody. Natomiast stosunek przyrostu prądu anodowego do zmiany napięcia anodowego nosi nazwę oporu wewnętrznego diody.
Kolejnym typem lampy elektronowej jest trioda. W zasadzie schemat jej budowy jest podobny do diody, z tym ,że zawiera ona jeszcze dodatkowa elektrodę. Elektroda ta znajduje się pomiędzy anoda i katodą . Ma ona postać walca, który zbudowany jest z metalowej siateczki lub spirali , która jest wykonana z drutu metalowego. Elektroda ta nosi nazwę siatki . Podobnie jak w przypadku diody elektrony emitowane są przez rozżarzoną katodę. Następnie ulegają przyciąganiu anodowemu. Anodowemu tym, że teraz na drodze do anody znajdują się oczka siatki trzeciej elektrody. Gdy elektroda ta zostanie naładowana ujemnie to elektrony przechodzące przez oczka siatki będą podlegać działaniu siły hamującej. Na skutek tego natężenie prądu anodowego będzie malało.
Natomiast gdy elektroda zostanie naładowana dodatnio to elektrony będą ulegały przyspieszeniu. I dzięki temu nastąpi wzrost natężenia prądu. Zależność prądu anodowego od napięcia siatki nazywa się charakterystyką siatkową triody.
