Электрический ток в различных средах

 

Основные положения электронной теории

проводимости металлов.

 

1. Во всех металлах имеются свободные электроны, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующими кристаллическую решетку.

2. Если электрон при хаотическом движении пересекает поверхность металла, то со стороны положительно заряженных ионов на него действует сила притяжения, которая втягивает электрон обратно в металл.

Это означает, что потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне металла. Если потенциальную энергию электрона вне металла принять за ноль, то потенциальная энергия электрона внутри металла будет отрицательной. Изменение потенциальной энергии электронов вдоль оси Х металла приведено на рисунке 16.

График потенциальной энергии имеет вид ямы. Поэтому его и называют потенциальной ямой. Глубиной потенциальной ямы называется скачок потенциальной энергии при переходе свободного электрона из металла наружу.

Рисунок 16 Потенциальная энергия электрона

3. Для выхода из металла электрон за счет своей кинетической энергии

должен совершить работу выхода , равную по величине глубине потенциальной ямы. где заряд электрона, а скачок потенциала при переходе через поверхность металла.

Работа выхода зависит только от рода металла и чистоты его поверхности. При нормальных условиях средняя кинетическая энергия хаотического движения электронов много меньше и поэтому над поверхностью металлов электронов очень мало. Однако при нагревании средняя кинетическая энергия электронов растет, и число электронов над поверхностью металлов увеличивается. Это явление называется термоэлектронной эмиссией.

 

Контактная разность потенциалов.

При соприкосновении двух металлов возникает их электризация по двум причинам:

1. Различие в работе выхода электронов из этих металлов.

2. Неодинаковая плотность электронного газа в этих металлах.

Рассмотрим влияние различия в работе выхода (рисунок 17а). При переходе из металла 1 в металл 2 электроны должны совершать работу выхода, преодолевая потенциальную ступеньку (рисунок 17б). Переход электронов из металла 2 в металл 1 происходит легко, так как электронам не надо преодолевать эту ступеньку.

Рисунок 17. Возникновение контактной разности потенциалов за счет различия в работе выхода соединяемых металлов

Поэтому металл 1 заряжается отрицательно, а металл 2 - положительно. Между металлами возникает электрическое поле, сосредоточенное в тонком переходном слое. Оно тормозит переход электронов из металла 2 в металл 1. В результате наступает динамическое равновесие. Разность потенциалов, возникающая между

 

соприкасающимися металлами при динамическом равновесии электронов, называют контактной разностью потенциалов (рисунок 17в). Контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода, может достигать нескольких вольт и практически не зависит от температуры.

Рассмотрим влияние различия плотности электронного газа (рисунок 18).

Пусть работа выхода из металлов 1 и 2 одинакова. Тогда за счет диффузии электроны перейдут из металла 1 в металл 2. На границе создастся положительный заряд в металле 1 и отрицательный заряд в металле 2.

Рисунок 18. Возникновение контактной разности потенциалов за счет различной плотности электронного газа в соединяемых металлах.

 

 

Электрическое поле этих зарядов тормозит дальнейший переход электронов. В результате наступает динамическое равновесие.

Контактная разность потенциалов в данном случае не превышает сотых долей вольта и возрастает с повышением температуры.

Термоэлектричество

Пусть два полукольца из металлов, отличающихся плотностью электронного газа, соединены так, как показано на рисунке 19. Контактная разность потенциалов при одинаковой температуре обоих контактов в точках С и Д не может создать электрический ток в цепи САДВС, так как она лишь уравнивает потоки электронов в противоположных направлениях.

Рисунок 19. Возникновение термоэлектричества

Если нагреть контакт Д, то контактная разность потенциалов в нем возрастает. Если температура контакта Д будет все время больше, чем температура контакта С, то по замкнутой цепи будет протекать постоянный электрический ток. Следовательно, в такой цепи действует Э.Д.С. Э.Д.С. в замкнутой цепи,

составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различием температур контактов, называют термо-Э.Д.С. Термо-Э.Д.С. прямо пропорциональна разности температур контактов и зависит от рода металлов. Она невелика и достигает нескольких стотысячных долей вольта на 1 градус разности температур контактов.

Прибор, состоящий из двух разных металлов со спаянными концами, называют термопарой или термоэлементом (рисунок 20). Термопары широко применяются в науке и технике в качестве точных термометров.

 

	Рисунок 20. Термопара

 

Контрольные вопросы

1. Изложите основные положения электронной теории проводимости металлов.

2. Расскажите о контактной разности потенциалов, возникающей за счет различия в работе выхода соединяемых металлов.

3. Расскажите о контактной разности потенциалов, возникающей за счет различной плотности электронного газа в соединяемых металлах.

4. Как можно создать термо - ЭДС, и где она может быть использована?