Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.

При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум). При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле после их вылета, и против сил отталкивания от электронов, вылетевших ранее. С ростом Т количество электронов, имеющих достаточную кинетическую энергию и покидающих металл, увеличивается.

Вблизи поверхности возникает «электронное облако», которое вместе с по­верхностным слоем положительных ионов образует двойной электрический слой толщиной 10^-10-10^{-9 м. Поле этого слоя препятствует выходу следующих электронов. Разность потенциалов} Dj слоя называется поверхностным скачком потенциала. Работу, которую должен совершить электрон при выходе из металла, называют ра­бо­той выхода А: . Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах (эВ). 1эВ - работа пере­мещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1В (1эВ=1.6×10^-19 Дж). Работа выхода электрона зависит от химической природы ме­талла и чистоты его поверхности и не зависит от температуры. Для чистых ме­таллов величина работы порядка нескольких эВ.

В 1797 г. итальянский физик Вольта обнаружил сходное явление и при контакте двух металлов, он установил, что при со­при­косновении двух разнородных металлов между ними возникает разность по­тенциалов, зависящая от их химического состава и температуры (первый за­кон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.

Рис.3.1.Контакт двух различных ме­таллов.

Для объяснения этого явления рассмотрим контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих работы выхода А₁ и А₂, причем А₁<А₂. Очевидно, что свободным электронам второго металла труднее покинуть его пределы, чем электронам первого металла. Поэтому при хаотическом тепловом движении количество свободных электронов, переходящих из первого ме­талла во второй в единицу времени будет больше, чем из второ­го в первый. В результате этого первый металл зарядится поло­жи­тельно, второй - отрицательно (рис.3.1). Возникающая разность потенциалов создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейший переход электронов из 1 в 2. Передвижение электронов прекратится, когда разность потенциалов поля станет такой величины, что работа по пере­ме­щению электрона внутри поля сравняется с разно­стью работ выхода: или , где е - абсолютная величина заряда электрона. Значение составляет обычно около 1В.

Второй причиной появления контактной разности потенциалов между метал­лами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n₀₁ и n₀₂. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, кото­рый подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно: , где - концентрация молекул, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная темпера­тура. Пусть > , тогда р₁>р₂, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направле­нии. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электриче­с­кое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результа­те этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теорети­ческий расчет возникающей разности потенциалов показал, что она зави­сит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна . При комнатной температуре значение имеет порядок 10^-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возника­ет контактная разность потенциалов .

На основании опытных данных Вольтой был установлен второй закон: раз­ность потенциалов на концах разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой тем­пературе, равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников.Пусть цепь состоит из четырех разнородных проводников, имеющих одинако­вую температуру. Сумма контактных разностей потенциалов соприкасающихся пар будет равна , то есть не зависит от промежуточных проводников 2 и 3.

Контактная электризация тел, т.е. возникновение между телами контактной разности потенциалов, встречается довольно часто и не только у металлов. Напри­мер, ею обусловлена электризация тел в процессе трения. При контакте двух ди­электриков внешние электроны атомов, расположенных у поверхности соприкосно­вения, пере­ходят преимущественно на диэлектрик с меньшей диэлектрической проницаемостью e, то есть на диэлектрик, у которого внешние электроны прочнее связаны со своими атомами. При последующем разделении тел, одно из них (с большим значением e) заряжается по­ложительно, другое - отрицательно. Контактная электризация имеет место в коллоидных растворах: жидкость и взвешенные в ней твердые частицы имеют заряды разного знака. При воздействии на коллоидный раствор электрическим полем, взвешенные частицы начинают дви­гаться вдоль силовых линий поля. Это явление называется электрофорезом. Элек­трофорез широко используется для выделения эмульсий из нефти, очистки фрукто­вых соков, удаления пыли и дыма из воздуха, разделения сложных белковых систем на компо­ненты и т.п.

Контактной электризацией обусловлено и явление электроосмоса: перемеще­ние жидкости в неподвижном пористом теле, помещенном в электрическое поле. Электроосмос применяется для сушки (холодная электросушка) волокнистых и по­ристых веществ, очистки воды, обезвоживания торфа и глины. Контактная разность потенциалов играет важную роль в работе электроваку­ум­ных приборов.

Термоэлектрические явления

В 1821 г. Т.Зеебеком было открыто явление, названное термоэлектрическим эффектом. Оно основано на зависимости контактной разности потенциалов от тем­пературы и заключается в следующем: если спаи двух разнородных металлов, обра­зующих замкнутую цепь, поддерживать при различных температурах, то в такой цепи возникает электрический ток.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводни­ков 1 и 2 (рис.3.2) Электродвижущая сила e в этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала: .

Если температура спаев одинакова, т.е. Т_а=Т_б, скачки по­тенциала в спаях одинаковы по величине и противополож­ны по знаку и e=0 (см. I закон Вольты). Если температуры спаев а и б различные, например Т_а>Т_б,, то контактная раз­ность потенциалов в горячем спае будет больше, чем в хо­лодном > . В результате в цепи появляется электродвижущая сила e¹0, назы­ваемая термоэлектродвижещей силой. Исполь­зуя формулу для контактной разности потенциалов, получим

или , где коэффициент - постоянная величина для данной пары металлов.

С появлением э.д.с. в цепи возникает электрический ток, направление которо­го при < указано на рисунке стрелкой. Для поддержания постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянную разность температур. В этом случае происходит преобразование внутренней тепловой энергии системы в электрическую. При Т_а-Т_б=100 К термоэлектродвижущая сила не превышает нескольких милливольт.

Замкнутая цепь проводников, создающая электрический ток за счет различия температур контактов между проводниками, называется термоэлементом или тер­мопарой. Термопара, вследствие своей большой термопрочности, служит для измерения температуры в очень широком интервале - от десятков до тысяч градусов. Она обладает большой чувствительностью, позволяя из­мерять очень малые разности температур (до 10^-6 К). Термопара, вследствие малых размеров спая, может измерять температуру малых объемов. Кроме того, за счет использования подводящих проводов, связывающих термопару с измерителем тока или э.д.с., термоэлектрический тер­мометр допускает дис­танцион­ные измерения. Для увеличения термо-э.д.с. термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи. Э.д.с. такой батареи равна сумме э.д.с. отдельных элементов. Посред­ством термобатареи можно обнаружить, например, невидимое тепловое излучение человека, находящегося в нескольких метрах от термобатареи.

В 1834 г. Ж.Пельтье обнаружил явление, обратное термоэффекту. Если по замк­нутой цепи, составленной из двух разнородных проводников 1 и 2, пропускать ток, то один из спаев нагре­вается, другой - охлаждается. На рис.3.3 показана замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников с по­парно спаянными концами и источник тока e.

Предположим, что металлы 1 и 2 подобраны таким образом, что при их контакте первый зарядится положите­льно, второй - отрицательно. Контактные электрические поля Е, в данном случае, будут направлены так, как указа­но на рис.3.3. Поскольку ток в рассматриваемом случае идет по часовой стрелке (так подключена э.д.с.), то движение электронов в цепи происходит в противоположном на­правлении. В спае б движение электронов ускоряется полем контакта, и кинетическая энер­гия электронов возрастает за счет энергии спая. Поэтому спай б охлаждается. В спае а поле контакта замедляет движение электронов. Следовательно, электроны отдают свою энергию спаю. За счет этой энергии спай а на­гревается. Эффект Пельтье можно использовать для устройства холодильной машины, однако к.п.д. таких холодильников мало.