• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Робота виходу електрона

Розділ 6. Контактна і об’ємна різниця потенціалів

9.1Робота виходу електрона

Електрони провідності, які за класичною теорією електропровідності утворюють, так званий, „електронний газ”, беруть участь у тепловому русі. Внаслідок того, що електрони провідності утримуються всередині металу, можна стверджувати, що поблизу поверхні металу на них діють сили, направлені всередину металу. Електрон тільки тоді може покинути поверхню металу, коли зможе виконати роботу А проти цих сил. Цю роботу називають роботою виходу.

Якщо електрон вилетів з металу, то на поверхні металу він індукує позитивний заряд, який за законом Кулона взаємодіє з вилетівши електроном і повертає його назад.

Робота проти цієї сили взаємодії є частиною роботи виходу. Найшвидші електрони в своєму тепловому русі можуть віддалитися від поверхні металу на декілька міжмолекулярних відстаней. Так біля поверхні металу утворюється хмара, що складається з електронів. Густина цієї хмари швидко зменшується з віддаленням від поверхні, яка стає позитивно зарядженою.

Позитивно заряджена поверхня металу і негативно заряджена хмара утворюють „конденсатор” (дві обкладки, одна з яких заряджена позитивно, а інша – негативно). Поле буде зосереджене між цими „обкладками”. В зовнішньому електричному просторі електричного поля не буде. Для того, щоб електрон пройшов цей подвійний шар, він повинен виконати роботу, тобто повна робота виходу обумовлена двома вказаними причинами.

Між поверхнею і хмарою виникає різниця потенціалів ∆φ. Цю різницю потенціалів називають потенціальним бар’єром. Він протидіє наростанню процесу вильоту, оскільки потрібно виконати певну роботу виходу, щоб подолати потенціальний бар’єр при відділенні електрону з металу.

Якщо всередині металу електрон має кінетичну енергію Е_к, то він може покинути поверхню металу за умови, що .

Робота виходу визначається за формулою:

. (9.1)

Роботу виходу виражають в електрон-вольтах (еВ). 1 еВ – енергія, набута електроном, який пройшов різницю потенціалів 1В.

1еВ=1В∙1,6∙10^-19Кл=1,6∙10^-19Дж.

При кімнатній температурі кількість електронів, що мають швидкість, достатню для вильоту з металу дуже мала, оскільки робота виходу з металів має порядок кількох електрон-вольт, а кінетична енергія електрона, яка визначається енергією його теплового руху при такій температурі ( ):

kT=1.38∙10^-23(Дж/К) ∙300(К)=4,15∙10^-29Дж=0,026 еВ.

Робота виходу електрона з міді становить 4,2 еВ, з вольфраму – 4,5 еВ, з літію – 2,3 еВ, з платини – 6,3 еВ.

9.2. Термоелектронна емісія

Термоелектронна емісія – це явище виходу електронів з речовини під дією температури, що виникає за рахунок енергії теплового збудження.

Механізм термоелектронної емісії:

Для кожного електрона, що виходить з поверхні металу можна зобразити залежність потенціальної енергії від термоелектронної емісії (рис.9.2).

Всередині металу на електрон не діють ніякі сили, тому потенціальна енергія не змінюється.

Складаючи повну діаграму потенціальної енергії для металу слід мати на увазі, що:

- границя вакуум–метал представляє собою потенціальний бар’єр;

Рис.9.1

- метал в цілому для електрона представляє собою потенціальну яму глибиною W_п;

- дозволені значення потенціальної енергії всередині металу представляють собою дуже близько розташовані дискретні рівні.

При температурі Т=0 К електрони заповнюють попарно найнижчі рівні в потенціальній ямі до деякого верхнього рівня. Цей рівень називають рівнем Фермі, а енергію, яка відповідає найвищому заповненому рівню – енергією Фермі (W_F). Таким чином при Т=0 К енергія електрона знаходиться в межах:

.

Очевидно, що при таких умовах електрон не здатен покинути метал, але якщо електрону надати деяку додаткову енергію (наприклад, опроміненням світлом), то він зможе вийти за межі металу.

Ця додаткова енергія повинна бути не менша різниці , тобто мінімальна енергія, необхідна для виходу електрона з металу називається роботою виходу:

.

При Т>0 К рух електронів активніший за рахунок енергії теплового збудження, електрони перерозподіляються по рівням. В окремих випадках електрони отримують від решітки додаткову енергію, більшу за роботу виходу і здатні самостійно покинути метал. Це явище називається термоелектронною емісією. Енергія Фермі – це енергія, яку має електрон при температурі 0 К.

Явище термоелектронної емісії використовують в діодах. Якщо у вакуумному електронному просторі, що охоплює нагрітий метал існує поле, направлене від поверхні металу, то воно буде захоплювати електрони і через вакуум потече струм. Такий струм називається термо-електричним.

Рис.9.2

9.3. Термоелектронні явища. Термо-ЕРС. Явище Зеєбека

Рис.9.3

Явище Зеєбека полягає в тому, що в замкненому електричному колі, яке складається з двох різних металів (рис.9.3), виникає термо-ЕРС, якщо спаї мають різну температуру.

Два метали називаються термопарою, а струм, добутий таким чином, – термоелектричним.

Термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС) буває контактною і об’ємною. Розглянемо два випадки.

1. Два провідники різного роду приведені в контакт. В місці контакту рівновага електронів порушується внаслідок різниці потенціалів провідника.

Для частини електронів є енергетично вигідним перейти з одного провідника в інший. Вони залишаються в другому провіднику поблизу контакту під дією не скомпенсованого заряду другого провідника.

На контакті утворюється подвійний електронний шар, який можна розглядати як плоский конденсатор атомарної товщини. Процес продовжується поки електричне поле подвійного шару не збільшиться до такої величини, що буде перешкоджати подальшому переходу електронів.

Падіння напруги в даному подвійному шарі називається контактною різницею потенціалів. Контактна різниця потенціалів залежить від температури контакту Т.

Рис. 9.4

В термопарі виникає дві контактні термо-ЕРС на гарячому і холодному спаї. При обході кола термопари за годинниковою стрілкою повний приріст потенціалу на спаях чисельно дорівнює

.

Ця величина називається контактною складовою термо-ЕРС. Вона обумовлена температурною залежністю контактної різниці потенціалів.

2. Якщо провідник нагрітий нерівномірно по довжині, то рівновага електронів в об’ємі порушується і електрони перетікають з одних ділянок провідника в інші. В провіднику з’явиться деякий розподіл зарядів, які створюють електричне поле. Цей процес продовжується до тих пір, поки поле не стане перешкоджати подальшому перерозподілу електронів.

Напруженість поля Е стане пропорційна градієнту температури провідника:

,

де β – коефіцієнт пропорційності, який залежить від роду провідника.

Якщо про інтегрувати вираз для напруженості поля по довжині, отримаємо різницю потенціалів.

.

У випадку термопари виникає дві так різниці потенціалів:

,

.

Рис. 9.5

Відповідно, при обході кола термопари за годинниковою стрілкою приріст об’ємної складової потенціалу:

,

.

ε_об ^– об’ємна складова термо-ЕРС. Як правило, на гарячому кінці провідника середня енергія і концентрація електронів провідності більша, ніж на холодному кінці. Тому струм потече від гарячого кінця до холодного, на холодному кінці виникає нестача електронів, а на гарячому – надлишок.

Повна термо-ЕРС – це алгебраїчна сума контактної та об’ємної складової термо-ЕРС, при обході за годинниковою стрілкою кола термопари

^.

9.4. Явище Пильтьє

Явище Пильтьє полягає в тому, що якщо через термопару, спаї якої мають однакову температуру, від зовнішнього джерела пропускати електричний струм, то температура одного спаю буде збільшуватися, а температура іншого – зменшуватися.

Лекція 10

Читайте також:

1. II. Будова доменної печі (ДП) і її робота
2. IV. Практична робота.
3. VI. Домашня робота.
4. VI. Практична робота .
5. VI. Практична робота .
6. VI. Практична робота.
7. VI. Практична робота.
8. VI. Практична робота.
9. VI. Практична робота.
10. VI. Практична робота.
11. VI. Практична робота.
12. VI. Практична робота.

Переглядів: 8561