Работа выхода электронов из металла. Контактная разность потенциалов.

 

Виды эмиссии электронов с поверхности металла:

-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

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.

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 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

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 φ ₂- φ ₁=∆ 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.

ε =k(T₂-T₁)=k· ∆ T                                                                                                                (3.69)

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:

ε =I· (R_t- R_в)=I· R_о                                                                                                                                                       (3.70)

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

R_о= R_t -R_в

Если R_t< R_в 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:

ε =k(T₂-T₁)=k· ∆ T

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.

Явление Пельтье

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.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: