Работа выхода электронов из металла. Контактная разность потенциалов. 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  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, в полупроводниках до 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 = выражает первый закон, сформулированный в конце 18 в. итальянским физиком А. Вольта.

Законы Вольта

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.