РАЗДЕЛ 3 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

СУДОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

Цикловая комиссия физико-математических дисциплин

Уколова Ю.В.

 

ФИЗИКА

Конспект лекций

для студентов специальности

22.02.06 «Сварочное производство»

 

профиля: технического

очной форм обучения

Часть 2

 

Керчь, 2016 г.

 

Составитель: Уколова Юлия Валериевна, преподаватель первой категории

СМТ ФГБОУ ВО«КГМТУ» ___________

 

Рецензент: Уколов Алексей Иванович, канд. физ. – мат. наук, доцент кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» _____________

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании цикловой комиссии физико-математических дисциплин Судомеханического техникума ФГБОУ ВО «КГМТУ»

Протокол № ___ от _____________ 2016г.

Председатель ЦК _________________ Ю. В. Уколова

Методические указания утверждены на заседании учебно-методического совета Судомеханического техникума ФГБОУ ВО «КГМТУ»

Протокол № ___ от _____________2016г.

СОДЕРЖАНИЕ
	РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ Тема 3.1.Электростатика	4
	Тема 3.2.Постоянный электрический ток.	18
	Тема3.3.Термоэлектронные явления	26
	Тема3.4. Магнитное поле.	31
	Тема 3.5. Электромагнетизм.	37
	CПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	43

 

РАЗДЕЛ 3 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Тема 3.1 Электростатика.

Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность и поток электростатического поля. Принцип суперпозиции электростатических полей.

Потенциал. Разность потенциалов. Связь между напряженностью и потенциалом. Эквипотенциальные поверхности.

Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Конденсаторы. Устройство, назначение. Соединение конденсаторов в батарею. Энергия электрического поля.

Рисунок 3.1 – К определению напряженности поля пустого шара

 

Электрическое поле наглядно изображается с помощью силовых линий. Силовой линией электрического поля называется линия, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором напряженности поля. Силовые линии проводятся с такой густотой, чтобы число линий, пронизывающих воображаемую площадку 1 м², перпендикулярную полю, равнялось величине напряженности поля в данном месте. Тогда по изображению электрического поля можно судить не только о направлении, но и о величине напряженности поля.

Электрическое поле называется однородным, если во всех его точках напряженность Е одинакова. В противном случае поле называется неоднородным.

Вектор напряженности поля положительного заряда направлен вдоль радиуса от заряда, отрицательного заряда – вдоль радиуса по направлению к заряду. Исходя из положительного заряда (или входя в отрицательный заряд) силовые линии теоретически простираются до бесконечности (рис. 3.2 – а, б).

Силовые линии одноименных зарядов не пересекаются, в этом заключается природа отталкивания одноименных зарядов (рис. 3.2 – в).

Силовые линии двух разноименных зарядов замкнутые, они начинаются на положительном и заканчиваются на отрицательном заряде (рис. 3.2 – г).

 

Рисунок 3.2 – Силовые линии напряженности: а) – положительного заряда,

б) – отрицательного заряда, в) – двух одноименных зарядов,

г) – двух разноименных зарядов (диполя)

 

 

Рисунок 3.3 – Силовые линии двух разноименно заряженных плоскостей

Силовые линии между двумя разноименно заряженными плоскостями показаны на рис. 3.3 Их плотность одинакова, поэтому электрическое поле двух разноименно заряженных плоскостей однородное.

Принцип суперпозиции полей – один из самых общих законов во многих разделах физики.

Принцип суперпозиции в электростатике утверждает, что если электрическое поле создается системой зарядов, то вектор напряженности в любой точке этого поля равен геометрической сумме векторов напряженности, создаваемых каждым из зарядов данной точки поля:

.                                                                                 (3.14)

Рисунок 3.4 – К иллюстрации принципа суперпозиции электрических полей

Плотность электрического заряда. В макроскопической электродинамике электрический заряд тела может считаться точечным, только если его поле рассматривается на расстояниях, существенно больших, чем характерные размеры заряженного тела. В противном случае электрический заряд считают непрерывно распределённым в некоторой области пространства и вводят поверхностную, линейную и объемную плотность заряда.

Ø При распределении заряда по площади говорят о поверхностной плотности заряда:

.                                                                                (3.15)

В СИ: .

Поверхностная плотность заряда численно равна первой производной заряда по площади. При поверхностном распределении заряд равен:

.                                                                                                   (3.16)

Ø При линейном распределении заряда говорят о линейной плотности заряда:

.                                                              (3.17)

В СИ: .

Линейная плотность заряда равна первой производной заряда по длине. При линейном распределении заряд равен:

.                                                                                                      (3.18)

Ø Распределение заряда по объему характеризуется объемной плотностью заряда:

.                                                               (3.19)

В СИ: .

Объемная плотность заряда равна первой производной заряда по объему. При объемном распределении заряд равен:

.                                                                                                       (3.20)

 

Рисунок 3.5 – Сферические                              Рисунок 3.6 Эквипотенциальные

Рисунок 3.12 – Плоский конденсатор

,

Получаем:

                                                                           (3.38)

– емкость плоского конденсатора.

Электроемкость сферического конденсатора. Сферический конденсатор представляет собой две концентрические сферы (рис. 3.12). Поле в зазоре между сферами создается только внутренней сферой, поэтому изменяется по закону:

.

Следовательно:

Рисунок 3.13 –Сферический конденсатор

,

.

Окончательно, емкость сферического конденсатора равна:

.                                                                       (3.39)

Электроемкость цилиндрического конденсатора. Для определения емкости цилиндрического конденсатора, состоящего из двух полых коаксиальных цилиндров с радиусами r ₁, и r ₂ (r ₂ > > r ₁), вставленных один в другой, пренебрегая краевыми эффектами, считаем электрическое поле радиально-симметричным, сосредоточенным между цилиндрическими обкладками и равным . Вычислим разность потенциалов между обкладками для поля равномерно заряженного бесконечного цилиндра с линейной плотностью  (l – длина обкладок):

.

С учетом наличия диэлектрика между обкладками:

.

Окончательно получим выражение для емкости цилиндрического конденсатора:

.                                                                          (3.40)

Законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов (согласно закону сохранения электрического заряда) заряд на каждом из конденсаторов одинаковый и равен полному заряду (рис. 3.14):

Рисунок 3.14 – Последовательное соединение конденсаторов

;

напряжение в цепи равно сумме напряжений на каждом конденсаторе:

;

обратное значение емкости цепи равно сумме обратных значений емкости каждого конденсатора:

.                                                                                 (3.41)

Если цепь состоит из n одинаковых конденсаторов, то емкость такой цепи равна:

.                                                                                                 (3.42)

При параллельном соединении конденсаторов (согласно закону сохранения электрического заряда) заряд в цепи равен сумме зарядов на каждом конденсаторе (рис. 3.15):

Рисунок 3.15 – Параллельное соединение конденсаторов

;

напряжение в цепи равно напряжению на каждом конденсаторе:

;

емкость цепи равна сумме емкостей каждого конденсатора:

.                                                                             (3.43)

Если цепь состоит из n параллельно соединенных одинаковых конденсаторов, то полная емкость вычисляется по формуле:

.                                                                                                         (3.44)

При параллельном соединении получается выигрыш в электроемкости, но возникают недостатки в ограничении рабочих напряжений. Последовательное соединение применяется, когда необходимо увеличить рабочее напряжение, но электроемкость при этом уменьшается.

При сложном (смешанном) соединении конденсаторов (рис. 3.16), не сводящемуся ни к последовательному, ни к параллельному соединению, необходимо применять два правила, аналогичные правилам Кирхгофа:

Рисунок 3.16 – Смешанное соединение конденсаторов

 

Правило 1. Алгебраическая сумма зарядов конденсаторов, сходящихся в узле и не связанных с источником заряда равна нулю:

.                                                                         (3.45)

Правило 2. Алгебраическая сумма падений напряжений на конденсаторах контура равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в контур:

.                                                      (3.46)

При решении задач необходимо соблюдать правило знаков. Если знак заряда конденсатора в направлении обхода растет, то знак потенциала  будет иметь знак «+», если уменьшается, пишется знак «–».

Энергия электростатического поля, проводников и конденсаторов

Потенциальная энергия системы зарядов определятся формулой:

.                                                                               (3.47)

Для металлов, так как поверхность проводника эквипотенциальна ( ), потенциал можно вынести за знак суммы:

.                                                                                       (3.48)

Обозначим суммарный заряд проводника:

.                                                                                               (3.49)

Энергия уединенного проводника, следовательно, будет равна:

.                                                                           (3.50)

Энергия заряженного конденсатора:

.                                                                         (3.51)

Энергия поля конденсатора:

.                                                                                                  (3.52)

Емкость плоского конденсатора:

.                                                                                    (3.53)

Напряжение и напряженность электростатического поля связаны соотношением:

.                                                                                                 (3.54)

Следовательно, энергия электростатического поля будет равна:

.                                              (3.55)

Объемной плотностью энергии называется энергия единицы объема:

.

Объемная плотность энергии электрического поля будет равна:

.                                                                                                (3.56)

Если поле неоднородное, то полная энергия определяется интегрированием по всему объему:

.                                                                                   (3.57)

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Какие вещества называются диэлектриками? Назовите виды диэлектриков.

2. Какое явление называется поляризацией? При каких условиях оно наблюдается?

3. Какую модель называют электрическим диполем?

4. Чем объясняется наличие свободных и связанных зарядов в диэлектриках?

5. Какая физическая характеристика среды называется диэлектрической проницаемостью? Какая физическая характеристика среды называется диэлектрической восприимчивостью? Как связаны между собой диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость?

6. Какие типы диэлектриков Вы знаете? Чем отличаются свойства диэлектриков различных типов?

7. Какое физическое явление называется электростатической индукцией? Где применяется электростатическая индукция?

8. Какие вещества называются проводниками? Какими свойствами обладают проводники?

9. Какое физическое свойство называется электроемкостью? Как вычисляется электроемкость проводника? В каких единицах измеряется? Как вычисляется электроемкость сферы или шара?

10. Какие устройства называются конденсаторами? Как вычисляется электроемкость конденсатора? Как вычисляется электроемкость плоского конденсатора? Как вычисляется электроемкость сферического конденсатора? Как вычисляется электроемкость цилиндрического конденсатора?

11. Сформулируйте законы последовательного, параллельного и смешанного соединения конденсаторов.

12. Как вычисляют энергию проводников, конденсатора и электрического поля? Как вычисляют объемную плотность электростатического поля?

 

Рисунок 3.17 – О пыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться вдоль проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение . Оно оказалось равным 1, 8·10¹¹ Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

Таким образом, электрический ток в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической электронной теории проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему совокупности двух подсистем:

1. свободных электронов с концентрацией ~ 10²⁸ м^-3и

2. положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия.

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

При объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с ядром атома внешние электроны отрываются от атомов. Поэтому в узлах кристаллической решетки металла располагаются положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны, не связанные с ядрами своих атомов. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости. Они совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное хаотическое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток. Скорость движения самих электронов в проводнике — несколько долей миллиметра в секунду, однако возникающее в проводнике электрическое поле распространяется по всей длине проводника со скоростью, близкой к скорости света в вакууме (3·10⁸ м/с).

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.

Закон Ома для участка цепи

Законы Ома представляют вольтамперные характеристики цепей.

Рисунок 3.18 – К иллюстрации закона Ома для участка цепи

Закон Ома для участка цепи (рис. 3.18) в интегральной форме установлен экспериментально: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

.                                                                                         (3.58)

Рисунок 3.19 – График зависимости сопротивления от температуры

У всех чистых металлов a» 1/273 K^-1.

Например, у вольфрама a_W = 4, 8^.10^-3K^-1. Это значит, что сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания, раскалённой до 2700К, более чем в 10 раз превышает её сопротивление при комнатной температуре.

При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Х. Камерлинг - Оннесом (1853-1926) в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4К, сопротивление скачком падало до нуля (рис. 3.19). Температура, при которой сопротивление резко падает до нуля, называют критической.

Объяснение физических процессов, лежащих в основе сверхпроводимости, было дано Н.Н. Боголюбовым (1909-1992) и американскими учёными Д. Бардиным (1908-1991), Л. Купером (р. 1930) и Д. Шриффером (р. 1031) на основе квантовой теории, за что в 1972 г. ученые стали лауреатами Нобелевской премии.

Очевидно, что в будущем применение сверхпроводников позволит передавать электроэнергию на большие расстояния с гораздо меньшими потерями или вообще без них. Кроме того, использование сверхпроводящих материалов даст возможность создавать огромные магнитные поля в генераторах и электромоторах, благодаря чему эти устройства станут значительно более мощными, чем сейчас. Колоссальные магнитные поля, созданные с помощью сверхпроводников, позволят конструировать поезда на магнитной подвеске, двигающиеся плавно, без трения и с огромными скоростями.

ЭДС. Закон Ома для неоднородного участка цепи

Сторонними называются силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока и вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока. В аккумуляторах сторонние силы имеют химическую природу, в генераторах – электромагнитную. Сторонние силы совершают работу по разделению зарядов и поддержанию разности потенциалов на концах цепи.

В цепи, в которой действуют только электростатические силы, постоянный ток возникнуть не может. В этом случае происходит перемещение носителей заряда от точек, имеющих большее значение потенциала к точкам с меньшим потенциалом, в результате которого потенциалы во всех точках цепи выравниваются, и происходит исчезновение электрического поля. В источниках тока сторонние силы совершают работу по превращению какой-либо энергии в электрическую, либо энергию сторонних сил в энергию электрического поля.

Количественной характеристикой сторонних сил является электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС – физическая величина, численно равная отношению работы сторонних си по перемещению заряда к величине этого заряда:

.                                                                                                         (3.63)

Это определение аналогично определению разности потенциалов

.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах( .

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

Закон Ома для неоднородного участка цепи.

При прохождении электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны стационарного электрического поля и сторонние силы. При этом на отдельных участках этой цепи ток создается только стационарным электрическим полем. Такие участки цепи называются однородными. На некоторых участках этой цепи, кроме сил стационарного электрического поля, действуют и сторонние силы (рис. 3.20).

Рисунок 3.20 – Простейшая схема неоднородного участка цепи (замкнутая цепь)

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным участком цепи.

Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме:

,

где ε – ЭДС источника тока; (φ ₁ – φ ₂) – разность потенциалов на участке цепи; R – полное сопротивление участка.

ЭДС может быть как положительной, так и отрицательной. Это связано с полярностью включения ЭДС. Если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0. В противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε < 0.

Если источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением току, то записывается закон Ома для замкнутой цепи в виде:

.                                                                                                        (3.64)

Сила тока замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Закон Ома в дифференциальной форме

Чтобы получить закон Ома в дифференциальной форме, необходимо перейти к бесконечно малому объему вещества (рис. 3.21).

Рисунок 3.21 – К выводу закона Ома в дифференциальной форме

Для бесконечно малого объема известные уравнения записываем в дифференциальной форме:

1)  – закон Ома для участка цепи;

2)  – взаимосвязь силы и плотности тока;

3) – взаимосвязь напряжения и напряженности электрического поля;

4)  – сопротивление длинного проводника.

Решая данную систему уравнений, получим:

,

где σ – удельная проводимость – величина, обратная удельному сопротивлению ( ).

Тогда закон Ома в дифференциальной форме устанавливает, что плотность тока прямо пропорциональна напряженности электрического поля внутри проводника:

.                                                                                                    (3.65)

 

Рисунок 3.22– Пример разветвленной электрической цепи

Узел – точка в цепи, в кото­рой сходятся токи. Токи, втекаю­щие в узел, принято считать поло­жительными; токи, вытекающие из узла – отрицательными.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количе­ство замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. На разных участках выделенного контура могут протекать различные токи.

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением законов сохранения электрического заряда и Ома на случай разветвленных цепей. Правила были сформулированы Густавом Кирхгофом (1824-1887) в 1845 году.

П равила Кирхгофа – соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного и квазистационарного тока. Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности. С помощью правил Кирхгофа можно решать многие задачи теории электрических цепей.

Применение правил Кирхгофа к линейной цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи.

Правила Кирхгофа

І(Для узлов) Сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

.                                                                                                        (3.66)

ІІ(Для контуров) Сумма ЭДС, входящих в контур, равна сумме падений напряжений в контуре:

.                                                                                             (3.67)

Пример применения правил Кирхгофа (рис. 3.22).

1 − Выбирается направление тока произвольно.

2 − Записывается первое правило Кирхгофа для узла 1. Токи, входящие в узел, имеют положительный знак, а токи, выходящие из узла, имеют отрицательный знак:

.

Или – сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов выходящих.

Если в цепи находится k узлов, то записывается (k -1) уравнение.

3 − Выбирается положительное направление обхода в контуре (направление, в котором потенциал хотя бы внутри одной ЭДС повышается).

4 − Если направление тока совпадает с направлением обхода, то падение напряжения имеет положительный знак, а если направление тока противоположно направлению обхода, то падение напряжения имеет отрицательный знак.

5 − При записи II закона Кирхгофа ЭДС имеет положительный знак, если в направлении обхода потенциал внутри ЭДС повышается, и ЭДС имеет отрицательный знак, если в направлении обхода потенциал внутри ЭДС уменьшается (понижается):

Для большого контура:

.

Это уравнение можно получить из двух предыдущих. Оно является зависимым. Поэтому, если цепь состоит из m контуров, то записывается (m -1) уравнение II закона Кирхгофа.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какое физическое явление называется электрическим током? Какими частицами в различных веществах создается электрический ток?

2. Какая физическая величина называется силой тока? В каких единицах измеряется сила тока

3. Какая физическая величина называется плотностью тока? В каких единицах измеряется плотность тока?

4. Какая физическая характеристика называется сопротивлением? В каких единицах измеряется? Чему равно сопротивление длинного проводника?

5. Что характеризуется удельное сопротивление?

6. Как зависит сопротивление проводника от температуры? Какое физическое явление называется сверхпроводимостью?

7. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

8. Сформулируйте закон Ома в дифференциальной форме.

9. Какие силы называют сторонними? Приведите примеры сторонних сил. Что характеризует ЭДС? В каких единицах измеряется ЭДС?

10. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.

11. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

12. Сформулируйте законы последовательного и параллельного соединения проводников и правила Кирхгофа.

 

Термоэлектрические явления.

 

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

А_в =∆ П

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

А_в= е ∆ φ                                                                                                           (3.68)

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.

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 1 в 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 2 в 1 они будут скатываться с потенциальной ступеньки ∆ А_в в металл 1. Все электроны металла 2, которые при хаотическом движении пересекут границу ВС, останутся в металле 1, т.к. их потенциальная энергия уменьшается.

Следовательно, большее число электронов перейдет из металла 2 в 1 и 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

123456789Следующая ⇒

Поделиться: