Контактная разность потенциалов работа выхода электрона из металла

Обновлено: 17.05.2024

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

1. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10–10—10–9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов  в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А) электрона из металла:

где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен . Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна —е и является относительно вакуума отрицательной. Исходя из этого можно считать, что весь объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А. Полупроводниковые триоды (транзисторы) Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы—диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-п-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,610–19 Кл, то 1 эВ= 1,610–19 Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия A = 2,2 эВ, у платины A=6,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А = 4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ - разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях тер-модинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей - отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень эл--хим. потенциала (ферми-уровенъ)станет одинаковым. Установившаяся К. р. п. равна разности работ выхода проводников, отнесённой к заряду электрона.

Электрич. поле К. р. п., создаваемое приконтактным объёмным зарядом, сосредоточено вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Протяжённость приконтактной области тем меньше, чем больше концентрации электронов проводимости в проводниках: в металлах см. При контакте полупроводника с металлом практически вся область приконтактного поля локализована в полупроводнике.

Электрич. поле К. р. п. изменяет концентрации свободных носителей заряда (электронов, дырок) в при-контактном слое. Когда концентрация осн. носителей заряда в полупроводниках понижается, приконтактный слой представляет собой область повыш. сопротивления (запирающий слой). Т. к. концентрация носителей и, следовательно, сопротивление контакта изменяются несимметрично в зависимости от знака приложенного напряжения, то контакт двух полупроводников обладает вентильным (выпрямляющим) свойством. С К. р. п. связаны также вентильная фотоэдс, термоэлектричество и ряд др. электронных явлений.

Законы Вольта

Формула Vвн =

Если соединить несколько проводников из различных металлов при одинаковой температуре, то разность потенциалов на концах цепи будет равна алгебраической сумме разностей потенциалов на всех контактах.

+ =

Полученное соотношение выражает второй закон Вольта: разность потенциалов между концами цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Явление Зеебека

Если цепь, состоящую из разнородных проводников при одинаковой температуре, замкнуть, то в каждом из контактов возникнет разность потенциалов, но электрический ток в цепи не возникает:

=

Если контакты замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает электрический ток, направление которого изменяется при изменении знака разности температур. Результирующая контактная разность потенциалов равна:

DV = = a dT.

Явление Зеебека

Величина a dT называется Термоэлектродвижущей силой. Коэффициент a называется удельной термоэлектродвижущей силой (a = 10-4 — 10-5 В/К). Существование термо ЭДС связано с необходимостью непрерывно подводить тепло к горячему сплаю и отводить его от холодного. Явление Зеебека используется для измерения температур. Термопары представляют собой замкнутые цепи, содержащие спаи разнородных металлов. При измерении температуры один из спаев помещается в среду, температуру которой следует измерять, второй — в среду с известной температурой. По величине возникшего в цепи термотока можно судить о температуре среды. С помощью термопар можно измерять температуру с точностью порядка сотых долей градуса в широком интервале температур — от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы.

Явление Зеебека наблюдается также у полупроводников. Термопары изготовленные из полупроводников имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия ( до 15%, КПД металлических термопар 0,5%), поэтому их используют в качестве элементов блока питания радиоапаратуры.

Явление Пельтье

В 1834 г. Пельтье было открыто явление, обратное явлению Зеебека, которое заключается в том, что при протекании тока по цепи, состоящей из двух разнородных металлов в спаях выделяется или поглощается кроме ленц-джоулева тепла добавочное тепло (тепло Пельтье), пропорциональное количеству электричества, протекающего через спай.

Явление Пельтье можно объяснить следующим образом. При прохождении электрического тока через спай электроны проводимости будут ускоряться или замедляться контактной разностью потенциалов. При ускорении электронов в спае будет выделяться тепло, а при замедлении — поглощаться.

Явление Пельтье наблюдается также и у полупроводников. А. Ф. Иоффе предложил использовать явление Пельтье, наблюдающееся при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости, для создания холодильных установок. В таких холодильниках рабочим элементом является батарея из спаев различных полупроводников. Одна половина спаев вводится в охлаждаемый объем, другая выводится наружу. При определенном направлении тока первая группа спаев поглощает тепло из внутреннего объма холодильника. Изменив направление тока можно использовать такую систему для нагрева внутреннего объема.

Контактные явления, контактная разность потенциалов

В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотичного теплового движения. Однако при нормальных температурах они не покидают металл. У поверхности металла существует задерживающее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла электрон должен совершить работу по преодолению задерживающих сил. Эта работа называется работой выхода.

Работа выхода - работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла.

Формула для работы выхода:

где e - заряд электрона, U - разность потенциалов между точками в металле и за пределами задерживающего слоя.

Работа выхода измеряется в электронвольтах.

Электронвольт - внесистемная единица измерения, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт.

Как у поверхности металла образуется задерживающее поле?

1. Вследствие теплового движения электроны с поверхности металла могут отрываться и образуют над поверхностью электронное облако.
2. На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона, они стремяться вернуть покинувшие металл электроны обратно.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой.

В вакууме за пределами задерживающего слоя поле отсутствует, поэтому формула для работы выхода запишется в виде:

где φ - потенциал выхода, равный потенциалу поля внутри металла.

Контактная разность потенциалов

Явление контактной разности потенциалов в 1797 году открыл Алессандро Вольта (1745 -1827).

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, которая возникает при контакте поверхностей двух разных металлов.

1. Разность потенциалов, возникающая при контакте двух разных металлов, зависит от их химического состава и температуры.
2. Если цепь составлена из нескольких разных проводников при одинаковой температуре, контактная разность потенциалов определяется только контактной разностью между крайними проводниками.

Причины возникновения контактной разности потенциалов:

1. Разная работа выхода для разных металлов.
2. Разная концентрация свободных электронов в разных металлах.

Схематически рассмотрим контакт двух металлов. Пусть у металла 1 работа выхода больше, чем у металла 2, и в металле 1 концентрация свободных электронов больше.

Между точками a и b , лежащими рядом с поверхностью, но не принадлежащими проводнику, возникает внешняя контактная разность потенциалов.

Электроны диффундируют из одного металла в другой, при этом из металла 1 в металл 2 уходит больше электронов, так как n 1 > n 2 . В результате металл 1 приобретает положительный, а металл 2 - отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов.

Контактная разность потенциалов. Контакт двух металлов. Законы Вольта.

Контактными называется ряд физических явлений, возникающих в области соприкосновения разнородных тел. Практический интерес контактные явления представляют в случае контакта металлов и полупроводников.

Покажем возникновение контактной разности потенциалов, воспользовавшись представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А_вых1 и А_вых2. Зонные энергетические диаграммы обоих металлов приведены на рис. 2. У этих металлов также различны уровни Ферми (уровень Ферми или энергия Ферми (E_F) – энергия, ниже которой все энергетические состояния заполнены, а выше – пусты при абсолютном нуле температуры). Если А_вых1 А_вых2 (рис. 2), то в металле 1 уровень Ферми располагается выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно.

Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, — вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится термодинамическое равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется выравниванием уровней Ферми в обоих металлах (рис. 3). Поскольку теперь для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А_вых1 и А_вых2 не изменяются, то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости от их поверхности (точки А и В на рис. 3), будет различной. Следовательно, между точками А и B устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Разность потенциалов, обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов - ∆φ_внеш или просто контактной разностью потенциалов.

Разность уровней Ферми в контактирующих металлах приводит к возникновению внутренней контактной разности потенциалов, которая равна

Внутренняя контактная разность потенциалов ∆φ_внут зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку положение самого E_F зависит от Т), обусловливая многие термоэлектрические явления. Как правило ∆φ_внут ∆φ_внеш.

При приведении в соприкосновение трёх разнородных проводников разность потенциалов между концами разомкнутой цепи после установления термодинамического равновесия окажется равной алгебраической сумме разностей потенциалов во всех контактах.

Согласно представлениям электронной теории, проводимость металлов обусловлена наличием в них свободных электронов. Электроны находятся в состоянии беспорядочного теплового движения, подобного хаотическому движению молекул газа. Число свободных электронов n, заключенных в единице объема (концентрация), не одинаково у разных металлов. Для металлов концентрации свободных электронов имеют порядок 10 25 -10 27 м -3 .

Предположим, что концентрации свободных электронов в металлах неодинаковы - n₁ ≠ n₂. Тогда за одно и то же время через контакт из металла с большей концентрацией электронов перейдет больше, чем в обратном направлении (концентрационная диффузия). В области контакта дополнительно возникнет разность потенциалов ∆φ_внут. В области контакта концентрация электронов будет плавно изменяться от n₁ до n₂. Для расчета ∆φ_внут выделим в области контакта небольшой объем, имеющий форму цилиндра с образующими, перпендикулярными границе раздела металлов (рис. 4), и будем считать, что у первого металла концентрация электронов равна n₁ = n, а у второго она больше, т.е. n₂ = n+dn.

Далее будем рассматривать свободные электроны как некоторый электронный газ, удовлетворяющий основным представлениям молекулярно-кинетической теории идеальных газов. Давление p газа в основании цилиндра 1 при температуре T равно:

где – постоянная Больцмана.

Давление в основании цилиндра 2 соответственно будет:

Разность давлений вдоль цилиндра равна:

Под влиянием разности давлений возникнет поток электронов через границу раздела металлов из области большего давления р₂ в направлении основания 1 (а на рис. 4). Равновесие наступит, когда сила dF_эл возникшего электрического поля с напряженностью E (рис. 4) станет равной силе давления dp×dS электронного газа, т.е.

Если число электронов в объёме dV=dx×dS цилиндра равно dN=ndV, то сила электрического поля, действующая на них, будет определяться:

Напряжённость E электрического поля численно равна градиенту потенциала , т.е.

Подставляя E в формулу (7) и далее в уравнение (6), с учётом формулы (5) получим:

Поскольку концентрации свободных электронов у металлов различаются незначительно, то величина ∆φ_внут существенно меньше разности потенциалов ∆φ_внеш. Величина ∆φ_внут достигает нескольких десятков милливольт, тогда как ∆φ_внеш может иметь порядок нескольких вольт.

Полная разность потенциалов при контакте металлов с учетом формулы (10) определяется:

Следовательно формула (15) примет вид

Таким образом, ЭДС в замкнутой цепи из однородных проводников зависит от разности температур контактов. Термо-ЭДС — электродвижущая сила ε, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры (эффект Зеебека). Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В полупроводниках, кроме того, концентрация электронов растёт с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих термо-ЭДС, которую называют объёмной.

Контактная разность потенциалов может достигать нескольких вольт. Она зависит от строения проводника (его объемных электронных свойств) и от состояния его поверхности. Поэтому контактную разность потенциалов можно изменять обработкой поверхностей (покрытиями, адсорбцией и т. п.).

Анализируя всё выше написанное, можно сделать выводы, известные как законы Вольта:

Работа выхода электронов из металла

Как показывает опыт, свободные электро­ны при обычных температурах практиче­ски не, покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из ме­талла в окружающий вакуум. Работа, ко­торую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называет­ся работой выхода.Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

1. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает из­быточный положительный заряд и элект­рон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2. Отдельные электроны, покидая ме­талл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убы­вает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоско­го конденсатора. Толщина этого слоя рав­на нескольким межатомным расстояниям (10 -10 — 10 -9 м). Он не создает элек­трического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных элек­тронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задержи­вающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов Dj в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала,определяется работой выхода (А) электрона из металла:

где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсут­ствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен Dj. Потенциальная энергия сво­бодного электрона внутри металла равна — еDj и является относительно вакуума отрицательной. Исходи из этого можно считать, что весь объем металла для элек­тронов проводимости представляет потен­циальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А.

Работа выхода выражается в элект­рон-вольтах(эВ): 1 эВ равен работе, со­вершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (за­ряда, равного заряду электрона) при про­хождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,6•l0 -19 Кл, то 1 эВ = 1,6•10 -19 Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их по­верхности и колеблется в пределах не­скольких электрон-вольт (например, у ка­лия Л=2,2 эВ, у платины A = б,3 эВ). Подобрав определенным образом покры­тие поверхности, можно значительно уменьшить paботу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А =4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ba), то работа выхода снижается до 2 эВ.

Самостоятельный газовый разряд и его типы

Разрядв газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего иониза­тора, называется самостоятельным.

Рассмотрим условия возникновения са­мостоятельного разряда. Как уже указыва­лось в § 106, при больших напряжениях между электродами газового промежутка (см. рис. 156) ток сильно возрастает (участки CD и DE на рис. 157). При боль­ших напряжениях возникающие под дей­ствием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и поло­жительные ионы (процесс 1 на рис. 158). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные элек­троны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электро­нов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавино­образно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD (см. рис. 157). Описанный процесс назы­вается ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под дей­ствием электронов недостаточна для под­держания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Та­кие процессы схематически показаны на рис. 158: 1) ускоренные полем положи­тельные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2); 2) поло­жительные ионы, сталкиваясь с молекула­ми газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в нор­мальное состояние сопровождается ис­пусканием фотона (процесс 3); 3) фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит так называе­мый процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4); 4) выбивание электронов из катода под действием фотонов (про­цесс 5).

Наконец, при значительных напряже­ниях между электродами газового проме­жутка наступает момент, когда положи­тельные ионы, обладающие меньшей дли­ной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда возникают кроме электронных лавин еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличе­ния напряжения (участок DE на рис. 157).

В результате описанных процессов (1—6) число ионов и электронов в объеме газа лавинообразно возрастает и разряд становится самостоятельным, т. е. сохра­няется после прекращения действия внеш­него ионизатора. Напряжение, при кото­ром возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

В зависимости от давления газа, кон­фигурации электродов, параметров внеш­ней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разрядвозникает при ни­зких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30— 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно отка­чивая из трубки воздух, то при давлении ж 5,3—6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура краснова­того цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении ж 13 Па разряд имеет вид, схематически изобра­женный на рис. 159.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 — первое катод­ное свечение,или катодная пленка,затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство,переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение,имеющее резкую границу со стороны като­да, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное про­странство,за которым следует столб иони­зированного светящегося газа 5 — поло­жительный столб.Положительный столб существенной роли в поддержании разря­да не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катод­ные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разря­де особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное тем­ное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происхо­дит сильное ускорение электронов и поло­жительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит удар­ная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

При дальнейшем откачивании трубки при давлении ж 1,3 Па свечение газа ос­лабевает и начинают светиться стенки трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разре­жениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударя­ясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюминесценцию.По­ток этих электронов исторически получил название катодных лучей.Если в катоде просверлить малые отверстия, то положи­тельные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия, проникают в про­странство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший назва­ние каналовых(или положительных) лу­чей,названных по знаку заряда, который они несут.

Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положитель­ного столба имеет характерный для каж­дого газа цвет, то его используют в газо­светных трубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газораз­рядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, по­глощается нанесенным на внутреннюю по­верхность трубки флуоресцирующим ве­ществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответ­ствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напы­ленияметаллов. Вещество катода в тлею­щем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагрева­ясь, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные пред­меты, их можно покрыть равномерным слоем металла.

2. Искровой разрядвозникает при больших напряженностях электрического поля (Ё=3•10 6 В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории,согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованно­го газа — стримеров.Стримеры возника­ют не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие мо­менты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого коли­чества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температу­ры (примерно 10 4 К), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к по­вышению давления и возникновению удар­ных волн, объясняющих звуковые эффек­ты при искровом разряде — характерное потрескивание в слабых разрядах и мощ­ные раскаты грома в случае молнии, явля­ющейся примером мощного искрового раз­ряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигате­лях внутреннего сгорания и предохране­ния электрических линий передачи от пе­ренапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точ­ной обработки металлов (резание, сверле­ние). Его используют в спектральном ана­лизе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).

3. Дуговой разряд.Если после зажи­гания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстоя­ние между электродами, то разряд стано­вится непрерывным — возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко воз­растает, достигая сотен ампер, а напряже­ние на разрядном промежутке падает до

ряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном дав­лении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер, являю­щийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям, ду­говой разряд поддерживается за счет вы­сокой температуры катода из-за интенсив­ной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обуслов­ленной высокой температурой газа.

Дуговой разряд находит широкое при­менение в народном хозяйстве для сварки и резки металлов, получения высококаче­ственных сталей (дуговая печь) и освеще­ния (прожекторы, проекционная аппара­тура). Широко применяются также дуго­вые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником уль­трафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления перемен­ного тока.

4. Коронный разряд— высоковольт­ный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (напри­мер, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то во­круг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае от­рицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул катода под действием положительных ионов, в случае положительной — вслед­ствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возника­ет под влиянием атмосферного электриче­ства у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявля­ется в возникновении вредных токов утеч­ки. Для их снижения провода высоковоль­тных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.

Используется коронный разряд в элек­трофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, осе­дают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему элек­троду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порош­ковых и лакокрасочных покрытий.

Работа выхода электронов из металла. Контактная разность потенциалов.

-термоэлектронная- испускание электронов нагретым катодом (металлом). Вспомним электрический ток в вакууме. Электроны испускаются нагретым катодом и образуют вблизи катода электронное облако, которым можно управлять, например, в электронно-лучевой трубке. При нагревании электроны имеют большую кинетическую энергию, за счет которой могут преодолеть силы притяжения положительных ионов и покинуть поверхность металла.

-автоэлектронная- когда электроны, ускоренные сильным электрическим полем, приобретают большую кинетическую энергию и покидают поверхность металла.

-фотоэлектронная (фотоэффект)-вырывание электронов с поверхности металла под действием излучения. Электроны поглощают энергию светового, или рентгеновского, или ультрафиолетового, или другого излучения и тратят ее на работу выхода с поверхности металла и на кинетическую энергию.

-вторичная-(ударная ионизация) когда заряженные частицы выбивают электроны с поверхности металла, например, положительные ионы выбивают электроны с поверхности катода или электроны сталкиваясь с нейтральным атомом выбивают из него электрон, а атом превращается в +ион (ток в газах).

Работа выхода

Во всех металлах имеются свободные электроны, которые движутся хаотически. Внутри металла действие положительных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки, на свободные электроны скомпенсировано. Когда электроны при своем хаотическом движении покидают поверхность металла, то сила притяжения положительных ионов, тормозит их движение и втягивает обратно в металл. Это означает, что потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне его. Таким образом. Если потенциальную энергию электрона вне металла принять равной нулю, его потенциальная энергия внутри металла будет отрицательна.

Рисунок 3.23 -Изменение потенциальной энергии электрона в зависимости от координаты х

Изменение потенциальной энергии электрона в зависимости от координаты х показано на рис 3.23 б. потенциальная кривая имеет вид потенциальной ямы, где ∆П - скачок потенциальной энергии при выходе электрона из металла. Покидая поверхность металла электрон должен выполнить работу А_в равную по величине глубине потенциальной ямы ∆П

Так как потенциальная энергия электрона обусловлена электрическим полем на границе металла, то

где е-заряд электрона;∆φ –скачок потенциала при переходе через поверхность металла;

В СИ:[A] = [эВ], 1 эВ = 1,6·10 -19 Кл·1 В = 1,6·10 -19 Дж.

Энергию, необходимую электрону для того, чтобы покинуть металл, можно сообщить различными способами:

- за счет нагревания металла – термоэлектронная эмиссия;

- вторичная электронная эмиссия – вылет электронов из металла, бомбардируемого ионами;

- автоэлектронная эмиссия – вылет электронов из металла под действием сильного электрического поля.

Работа выхода -это минимальная работа А_в , которую должен совершить электрон за счет своей Е_к кинетической энергии, чтобы выйти из металла.

Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов.

Существует две причины возникновения контактной разности потенциалов:

-за счет неодинаковой работы выхода;

-за счет неодинаковой концентрации электронов в металлах;

Контактная разность потенциалов за счет разной А_в двух разнородных металлов (рис.3.24(а))

Рисунок 3.24.а – Два проводника с разной работой выхода

Рисунок 3.24. б – потенциальные ямы двух разных металлов

Пусть имеются два проводника с разной работой выхода А_в1> А_в2(рис.3.24 а)

При соприкосновении этих металлов потенциальные ямы будут иметь вид, показанный на рис.3.24 б). Для перехода электронов из металла 1в металл 2 нужно совершить работу ∆А_в, которая А_в1, поэтому электроны будут переходить из металла 1 в 2 преодолевая потенциальный барьер ∆А_в и таких электронов будет очень мало. При переходе электронов из металла 2в 1они будут скатываться с потенциальной ступеньки ∆А_в в металл1. Все электроны металла2, которые при хаотическом движении пересекут границу ВС, останутся в металле1, т.к. их потенциальная энергия уменьшается.

Следовательно, большее число электронов перейдет из металла 2 в 1и в при контактной области создаст избыток электронов, то есть «-» заряда, тогда в металле 2 будет недостаток «-» заряда, то есть в при контактной области появится «+» заряд. Между зарядами «+» и «-» в при контактной области возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему движению электронов и наступает подвижное равновесие.

Контактная разность потенциалов за счет разной концентрации n ₁ > n ₂ двух разнородных металлов(рис.3.25 а и б)

Рисунок 3.25 .а, б - 2Контактная разность потенциалов за счет разной концентрации n ₁ > n ₂ двух разнородных металлов

При контакте двух разнородных проводников с разной концентрацией электронов будет происходить диффузия из области с большей концентрацией ( из металла 1) в область с меньшей концентрацией (в металл 2). В при контактной области создается разность потенциалов φ₂- φ₁=∆φ, металл 2 заряжается «-», а металл 1 «+», возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему движению электронов из одного металла в другой. Величина этой контактная разности потенциалов зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается диффузия. А значит увеличивается разность потенциалов.

Термоэлектродвижущая сила

Контактная разность потенциалов при одинаковой температуре в замкнутой цепи из металлических проводников не может создать тока, т.к она лишь уравнивает потоки электронов в противоположных направлениях. Следовательно. не возникает ЭДС. Возьмем замкнутую цепь из двух разных металлов Аи В, с разной концентрацией электронов, температура контактов которых, С и D, будут разными. При таком условии в цепи возникнет ЭДС (Рис.3.26)

Рисунок 3.26 – Возникновение ТермоЭДС при контакте двух разных металлов

Если подогреть контакт D, то в нем произойдет переход электронов из области большей концентрации металла(В ) в металл А с меньшей концентрацией электронов. Контактная разность потенциалов в соединении D возрастет. Так как в металле А на конце D электронов стало больше, то они устремятся к концу С. Увеличение концентрации электронов на конце С вызовет их переход из металла А в металл В через контакт С. Отсюда они по металлу В перейдут к контакту D. Таким образом, если температура контакта DT_D>T_C , то по замкнутой цепи пойдет ток. Следовательно, в такой цепи действует ЭДС. Природа такой ЭДС -тепловая

ЭДС в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различными температурами контактов, называют термоэлектродвижущей силой ( термо-ЭДС).

Термо-ЭДС , в цепи их двух разнородных металлов прямо пропорциональна разности температур их контактов и зависит от рода металлов.

где k-коэффициент термо-ЭДС;∆T-разность температур контактов

Электрическая энергия в такой цепи получается за счет внутренней энергии источника, поддерживающего разность температур контактов.

Если через контактную область двух разнородных проводников пропустить электрический ток, то электроны, проходя через контактную область, будут в зависимости от направления тока, либо ускоряться либо тормозить. Если электроны ускоряются, то в приграничном слое выделяется тепло (электроны, получившие кинетическую энергию, будут при столкновениях передавать энергию атомам металла). Если электроны тормозятся контактным электрическим полем, то на контакте поглощается тепло (электроны, потерявшие скорость будут при столкновениях с атомами получать от них энергию, то есть охлаждать контакт). Термо-ЭДС в этом случае определяется:

где I-сила тока в цепи;R_t-сопротивление термопары;R_в- внешнее сопротивление цепи;

Если R_tв то можно считать, что ток прямо пропорционален термоЭДС.

3.3.2 Термоэлектрические явления.

Если спаять два разнородных проводника, получится устройство, получившее название термопары.

Его создал в 1621 году немецкий физик Зеебек. Если подключить ее к гальванометру и подогреть место спая, стрелка прибора зафиксирует наличие тока в цепи.

В 1830 году итальянские ученые Л. Нобиле и М. Мелони создали батарею из 32 миниатюрных термопар. Она заставляла отклоняться стрелку гальванометра под действием теплового излучения человека, стоящего на расстоянии десять метров от устройства. Такой прибор мог бы стать элементом системы охранной сигнализации, но новинка тогда внимания почти не привлекла.

В 1869 году английский астроном лорд Росс при помощи термопары приступил к измерению температуры различных участков поверхности Юпитера. Он сконцентрировал тепловое излучение планеты на термопаре при помощи телескопа. Термопарой можно провести изменение излучение малой мощности. Термопара позволяет измерить незначительные интервалы температур. Термопару используют как термометр для измерения очень низких или высоких температур.

А всего через полвека изобретатели начали задумываться над применением термоэлемента в военных целях.

Первыми, по-видимому, применили термоэлементы в военных целях немцы, создав в 1914 году в Остенде на берегу Северного моря первые теплопеленгаторы. Они обнаруживали английские корабли по тепловому излучению в темноте и в тумане на расстоянии более 10км.

Явление Зеебека.

Этот эффект наблюдается, если места контактов двух разнородных проводников А и В, составляющих замкнутый контур, поддерживаются при разных температурах. Он приводит к возникновение ЭДС (термоЭДС) в таком контуре

Рисунок 3.27 – Схема демонстрации явления Зеебека

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2 с температурами спаев Т₁ (контакт А) и T₂ (контакт В), причем Т₁>Т₂ (рис.3.27). Не вдаваясь в подробности, отметим, что в замкнутой цепи для многих пар металлов (например, Сu – Bi, Ag – Си, Аu – Си) электродвижущая сила прямо пропорциональна разности температур в контактах:

Эта э. д. с. называется термоэлектродвижущей силой. Направление тока при T₁>T₂ на рис.3.27 показано стрелкой. Термоэлектродвижущая сила, например для пары металлов медь — константан, для разности температур 100 К составляет всего 4,25 мВ.

Причина возникновения термоэлектродвижущей э. д. с. ясна уже из формулы (3.70), определяющей внутреннюю контактную разность потенциалов на границе двух металлов. Дело в том, что положение уровня Ферми зависит от температуры. Поэтому если температуры контактов разные, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов. Таким образом, сумма скачков потенциала отлична от нуля, что и приводит к возникновению термоэлектрического тока. Отметим также, что при градиенте температуры происходит и диффузия электронов, которая тоже обусловливает термо-э. д.с. Явление Зеебека не противоречит второму началу термодинамики, так как в данном случае внутренняя энергия преобразуется в электрическую, для чего используется два источника теплоты (два контакта). Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного — непрерывно ее отводить.

Явление Зеебека широко используется при измерении температуры в широком диапазоне и преобразовании внутренней энергии в электрическую.

Французский физик Ж. Пельтье (1785-1845) обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом, явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлических проводников 1 и 2 (рис. 3.28), по которым пропускается ток (его направление в данном случае выбрано совпадающим с направлением термотока (на рис.3.28 при условии T₁>T₂).

Рисунок 3.28 – Схема демонстрации явления Пельтье

Согласно наблюдениям Пельтье, спай А, который при явлении Зеебека поддерживался бы при более высокой температуре, будет – теперь охлаждаться, а спай В – нагреваться. При изменении направления тока I / спай А будет нагреваться, спай В – охлаждаться.

Объяснить явление Пельтье можно следующим образом. Электроны по разную сторону спая обладают различной средней энергией (полной – кинетической плюс потенциальной). Если электроны (направление их движения задано на рис. 3.28 пунктирным стрелками) пройдут через спай В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и спай будет нагреваться. В спае А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и спай будет охлаждаться.

Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством А. Ф. Иоффе, и в некоторых электронных приборах.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чем суть явления термоэлектронной эмиссии?

2. Как увеличить выход электрона из металла?

3. От чего зависит работа выхода электрона из металлов?

4. Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов.

5. Что такое термопара?

6. Что называют термоэлектродвижущей силой?

7. Объясните явление Зеебека.

8. Объясните явление Пельтье.

Тема3.4 Магнитное поле.

Магнитное поле тока.

Читайте также:

  
• Металлические изделия для дома
  
• Как сделать флюгер своими руками из металла
  
• Платина тяжелый или легкий металл
  
• Самый сильный металл в таблице менделеева
  
• Моя девушка слушает металл