Контактные явления, контактная разность потенциалов

Контактные явления. Лекция 4 Контактная разность потенциалов

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Лекция 4

  1. Контактная разность потенциалов. Законы Вольта.
  2. Термоэлектричество.
  3. Термопара, ее использование в медицине.
  4. Потенциал покоя. Потенциал действия и его распространение.
  1. При тесном соприкосновении разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая только от их химического состава и температуры (первый закон Вольты).

Эта разность потенциалов называется контактной.

Для того, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу против сил притяжения к металлу. Эта работа называется работой выхода электрона из металла.

Приведем в контакт два различных металла 1 и 2, имеющих работу выхода соответственно A1 и A2, причем A1 < A2.

Очевидно, что свободный электрон, попавший в процессе теплового движения на поверхность раздела металлов, будет втянут во второй металл, так как со стороны этого металла на электрон действует большая сила притяжения (A2 > A1).

Следовательно, через контакт металлов происходит «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, второй отрицательно.

Возникающая при этом разность потенциалов создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейшую «перекачку» электронов и совсем прекратит ее, когда работа перемещения электрона за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода:

или

(1)

Приведем теперь в контакт два металла с A1 = A2, имеющие различные концентрации свободных электронов n01>n02. Тогда начнется преимущественный перенос свободных электронов из первого металла во второй.

В результате первый металл зарядится положительно, второй –отрицательно. Между металлами возникнет разность потенциалов , которая прекратит дальнейший перенос электронов.

Возникающая при этом разность потенциалов определяется выражением:

(2)

Где k-постоянная Больцмана

В общем случае контакта металлов, различающихся и работой выхода и концентрацией свободных электронов к.р.п. из (1) и (2) будет равна

Легко показать, что сумма контактных разностей потенциалов последовательно соединенных проводников равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников.

Это положение называется вторым законом Вольты.

Если теперь непосредственно соединить концевые проводники, то существующая между ними разность потенциалов компенсируется равной по величине разностью потенциалов , возникающей в контакте 1 и 4. Поэтому к.р.п. не создает тока в замкнутой цепи металлических проводников, имеющих одинаковую температуру.

2.Термоэлектричество – это зависимость контактной разности потенциалов от температуры.

Составим замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников 1 и 2. Температуры контактов a и b будем поддерживать различными Тa> Tb. Тогда, согласно формуле (3), к.р.п. в горячем спае больше, чем в холодном:

В результате между спаями a и b возникает разность потенциалов

, называемая термоэлектродвижущей силой, а в замкнутой цепи пойдет ток I. Пользуясь формулой (3), получим

, или (4)

Где для каждой пары металлов

  1. Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия температуры контактов между проводниками, называется термопарой.

Из формулы (4) следует, что термоэлектродвижущая сила термопары пропорциональна разности температур спаев (контактов).

Формула (4) справедлива и для температур по шкале Цельсия: (4’)

Термопарой можно измерить только разности температур. Обычно один спай поддерживается при 0ºС. Он называется холодным спаем. Другой спай называется горячим или измерительным.

Термопара обладает существенными преимуществами перед ртутными термометрами: она чувствительна, безинерционна, позволяет измерять температуру малых объектов, допускает дистанционные измерения.

Измерение предела температурного поля тела человека.

Считается, что температура тела человека постоянна, однако это постоянство относительно, поскольку в различных участках тела температура неодинакова и меняется в зависимости от функционального состояния организма.

Температура кожи имеет свою вполне определенную топографию. Самую низкую температуру (23-30º) имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа, ушные раковины. Самая высокая температура – в подмышечной области, в промежности, области шеи, губ, щек. Остальные участки имеют температуру 31-33,5ºС.

У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием диагностики заболеваний методом построения профиля температурного поля с помощью контактных устройств: термопары и термометра сопротивления.

4.Поверхностная мембрана клетки не одинаково проницаема для разных ионов. Кроме того, концентрация каких-либо определенных ионов различна по разные стороны мембраны, внутри клетки поддерживается наиболее благоприятный состав ионов. Эти факторы приводят к появлению в нормально функционирующей клетке разности потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой (потенциал покоя)

При возбуждении разность потенциалов между клеткой и окружающей средой изменяется, возникает потенциал действия, который распространяется в нервных волокнах.

Механизм распространения потенциала действия по нервному волокну рассматривается по аналогии с распространением электромагнитной волны по двухпроводной линии. Однако, наряду с этой аналогией существуют и принципиальные различия.

Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как ее энергия рассеивается, превращаясь в энергию молекулярно-теплового движения. Источником энергии электромагнитной волны является ее источник: генератор, искра и т.д.

Волна возбуждения не затухает, так как получает энергию из самой среды, в котрой она распространяется (энергия заряженной мембраны).

Таким образом, распространение потенциала действия по нервному волокну происходит в форме автоволны. Активной средой являются возбудимые клетки.

Примеры решения задач.

  1. При построении профиля температурного поля поверхности тела человека используется термопара с сопротивлением r1=4Ом и гальванометр с сопротивлением r2=80Ом; I=26мкА при разности температур спаев ºС. Чему равна постоянная термопары?

Решение:

Термоэдс, возникающая в термопаре, равна

(1) где термопары, -разность температур спаев.

По закону Ома для участка цепи где U принимаем как . Тогда

Источник: https://studopedia.su/9_6099_kontaktnie-yavleniya.html

Контактная разность потенциалов

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов, разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия. Наиболее важно понятие К. р. п. для твёрдых проводников (металлов и полупроводников).

Если два твёрдых проводника привести в соприкосновение, то между ними происходит обмен электронами, причём вначале преимущественно электроны переходят из проводника с меньшей работой выхода в проводник с большей работой выхода.

В результате этого процесса проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков, что приводит к появлению электрического поля, препятствующего дальнейшему перетеканию электронов.

В конечном счёте достигается равновесие, при котором потоки электронов в обоих направлениях становятся одинаковыми, и между проводниками устанавливается К. р. п.

  Значение К. р. п. равно разности работ выхода, отнесённой к заряду электрона. Если составить электрическую цепь из нескольких проводников, то К. р. п. между крайними проводниками определяется только их работами выхода и не зависит от промежуточных членов цепи (правило Вольта). К. р. п.

может достигать величины в несколько в. Она зависит от строения проводника и от состояния его поверхности. Поэтому величина К. р. п. может быть изменена обработкой поверхностей (покрытиями, адсорбцией и т. п.), введением примесей (в случае полупроводников) и сплавлением с др.

веществами (в случае металлов).

  Т. к. работа электрических сил, обусловленных К. р. п., производимая при перемещении заряда по замкнутому контуру, составленному из нескольких проводников, равна нулю, то прямое измерение К. р. п. невозможно. Одним из наиболее распространённых способов измерения К. р. п.

является метод вибрирующего конденсатора Кельвина. Периодически изменяют расстояние между пластинами электрического конденсатора, сделанными из исследуемой пары проводников, при этом изменяется ёмкость конденсатора и в цепи появляется переменный электрический ток, обусловленный К. р. п.

Измеряя ток, определяют К. р. п.

  Электрическое поле К. р. п. сосредоточено в проводниках вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Линейные размеры этой области порядка длины экранирования, которая тем больше, чем меньше концентрация электронов проводимости в проводнике.

Длина экранирования в металлах имеет атомные размеры (10-8—10-7 см), а в полупроводниках колеблется в широких пределах и может достигать величины 10-410-5 см. Отсюда следуют два вывода: 1) из двух соприкасающихся тел К. р. п.

приходится в основном на проводники с большим сопротивлением; 2) для полупроводников в области сосредоточения К. р. п. заметно изменяется концентрация носителей заряда.

  К. р. п. играет важную роль в физике твёрдого тела и её приложениях. Она оказывает заметное влияние на работу электровакуумных приборов., В электронных лампах К. р. п. между электродами складывается с приложенными внешними напряжениями и влияет на вид вольтамперных характеристик. В термоэлектронном преобразователе энергии К. р.

п. используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Электроны «испаряются» из горячего катода с большой работой выхода (см. Термоэлектронная эмиссия) и «конденсируются» на аноде с малой работой выхода. Разность в потенциальной энергии электронов превращается в работу, производимую во внешней электрической цепи.

  В случае контакта металла с полупроводником К. р. п. сосредоточена практически в полупроводнике и при достаточно большой величине заметно изменяет концентрацию носителей тока в приконтактной области полупроводника, а следовательно, и сопротивление этого слоя.

Если образуется слой с высоким сопротивлением (обеднённый носителями тока), то при наложении внешней разности потенциалов концентрация носителей заряда будет в нём заметно меняться, причём несимметричным образом в зависимости от знака внешнего напряжения. Таким образом, К. р. п.

обусловливает нелинейность вольтамперных характеристик контактов металл — полупроводник, которые благодаря этому обладают выпрямительными свойствами (см. Шотки диод).

В случае контакта двух полупроводников из одного вещества, но с различными типами проводимости К. р. п. приводит к образованию переходного слоя объёмного заряда с нелинейной зависимостью сопротивления от внешнего напряжения (см. Электронно-дырочный переход).

  Лит.: Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Царев Б. М., Контактная разность потенциалов и ее влияние на работу электровакуумных приборов, 2 изд., М., 1955.

  В. Б. Сандомирский.

Оглавление БСЭ

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/064/081.htm

���������� �������� �����������

Контактные явления, контактная разность потенциалов

���� ��� �������, ������������� �� ���� ������ ��������, ������ ������� ���� � �����, �� ����� ���� ��������� ���������� �������� �����������. ����������� �����, ����� � �������� ���������� ������ ��������� ������ ������� � 1797 ����, ��������� ��������� ������������� ������� ��������.

������ ��������� �����, ��� ���� ��������� ������� � ���� � ����� �������: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, �� ������ ��������� ������ � ���������� ������� ������� ��������� ���� �����������.

����� ���� ������ �������, ��� ��������� ��������, ������������ ����� ��������, ����� ���� � �� �� �������� ����������� ����� ������� ������������ ����, ���������� �� ������������������ ������������ ������ �������� � ���� ���� � ��� ��������� �������� ������ ��� ����� ���������������� ��������� ������.

����� ������ ����� ��������, ��� ��� ������� ���������� ������ ������������������ ��������� ����������, ����� ��� ������� �������� ���������� ��� ����� � ��� �� �����������.

���� ������ ������ ���� �������� ������� ���� �� ����, �� �� ������ ����� ���������, ��� ��� � ���� �������� ����� ����. �� ������ ��� �������, ��� ��� ��� (������ 1, ������2, ������3) ��������� ��� ����� � ��� �� �����������, ����� �� ��������� ������� ����� ������� — ����� ���������� �������.

��� ��������� ��� �������� ���������� �������� ����������� ����� ����� ������������, �� ��������� �� ������� � ����� ����� ������ �� ������ �����.

����� ������ ������� ��������� ���������� �������� �����������, ������ ��������������� ������� ��������� ����������.

����� ��� ������� ���� ��������� ��� ��������� ������� �����������, ����� ��� ������ �������, ������� ������� �����, �������� ��������� �����������. �������� ������� (�������) ����� ������� � ������������� ���������� ������������ � ������� ��������� ������������:

m — ����� ����� ���������, h — ���������� ������, n � ������������ ���������� ������������

�������� �� �������� ������ �����������, �������� � ������� ������� ��� ������� � ������� ��������� �����, � ������������� � ������� �������������� ���������� ������������.

�������� ��� ������ �������, ��� ������ ������ ����� ������� ������������ ���������� ������������, � �������������� ������� ����� � ������� ������� ���� ��� � �������.

����� ��� ��������������� �������� ���� � ������ �������� �������� (������������� �� ������ ������� � � ������) ���������� �� ������� 2 � � ������ 1, ���� � ������� 2 ���� ����������� �������������� ������, ������� ��������� ���� ������ ����� ������� �������, ������ ��������� � ���� ������� ������ ��������� � ������� 1 ��������� ������� ������.

�������� �������� ���������� � ����� �������� ������������� ����������, ���� �� ������ ������� ��� ����������� ������ ������� ��� ��������� ���������. � ����� ������ ������ 2 ��������� ������������, � ������ 1 � ������������, ��� ���� ������� ����� ������� ������� ������ ���� ��� ���, � � ������� ������� � ��������. ��������� ��� ����� �������:

� ���������� ����� ��������������� ��������� ��������� �������� �����������, � ��������������� �� ������������� ����, ������� ������ ������ �������������� ���������� �������� ����������.

�� ������� ��������� �����������, ����� �������� ����������� ��������� ������������ ��������, ��������������� ��������� ������� ����� ���� ��������, ��� ������� � ������� 1 �� ��������� ��������� ������� ��� ����� ����������� ���������� �� ������� 2, � � ������� 2 ��� � �� ����������� ������ ��� ����������� �������� ���������� �� ������� 1. �������� �������������� ����������:

��������� ����� ��������� �����������, �� ����� ����� ��������� ��������� ������������ �����������:

���� ���������� �� � ������� ����������� �������� ������ ����������� ����, ��� �� ����� ����������� ������� ���������� ����� ��������� ��� ����� �����������.

������� ����� ��� ������� �������������� ���� ����� �� ��� ���� ��� ���������� ����������� ������������� ��������� � ����������� ����, ���������� � ������ ����� ������ ���������� ���������, � ��� ��� � �������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����� ����� �������� ����� �����, �� ����� ���� �������� � ������������ ����������� ����������� ���������� �� �����������.

����, ������������� ���� �������� ����������� ���������� ���������� ���������� ��������� ����������� � ������������� ������ ���������������� ��������� ������.

������� ������ ������ �������� �����������, ��� ����� ������� ������� ����� ����� ������������ ���������� ������������, ����� ���� ��������� ��������� �������� ��������:

����� �������, �� ���� ������ ��������� ����������, ���������� ���������� �������� ����������� ��� �������� ����� ������� ������� �� ����� ����� ������ �� ������ �����.

Источник: http://ElectricalSchool.info/electrojavlenija/1979-kontaktnaja-raznost-potencialov.html

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Факт существования твердых тел говорит о том, что существуют силы, которые удерживают, находящиеся в постоянном движении электроны внутри тела. Для того чтобы из тела извлечь электрон, следует затратить работу.

Допустим, что твердое тело находится внутри адиабатической оболочки при постоянной температуре T. В результате теплового движения и перераспределения электронов по скоростям внутри тела кинетической энергии некоторых электронов будет достаточно для преодоления сил, которые удерживают их внутри тела.

Из-за этого у поверхности тела возникает «газ» из электронов. Некоторые электроны приближаются к поверхности тела и захватываются внутрь тела. В состоянии термодинамического равновесия среднее количество электронов, покидающих тело, равно среднему числу электронов возвращающихся.

Этот «электронный газ» не вырожден, его плотность может быть записана в виде распределения Больцмана:

где $n_0$ — концентрация электронов у поверхности тела, C — зависит только от температуры, $A_Ф$ —работа выхода. Работа выхода связана с энергией $\mu $ уровня Ферми соотношением:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

где $E_0$ — энергия покоящегося электрона вне проводника в вакууме. То есть $A_Ф$ равна работе по перемещению электрона с уровня $\mu $ за пределы твердого тела. Для металлов это утверждение буквально, для диэлектриков несколько условно, так как в них на уровне Ферми нет электронов.

Силы, которые удерживают электроны в твёрдых телах, имеют электрическое происхождение. Они вызваны разностью потенциалов между точками вне тела и внутренними точками.

Силы, которые стремятся втянуть электроны внутрь тела тем больше, чем больше работа выхода $A_Ф.$ Они действуют в очень тонком слое (порядка молекулярных размеров $d\approx {10}{-10}м$).

Эффективная напряженность электрического поля ($E_{ef}$), которое вызывает появление этих сил порядка:

где работа выхода принята равной нескольким электрон- вольтам. Работу выхода электронов из металла часто выражают в электрон — вольтах. Это внесистемная единица $1эB=1,602\cdot {10}{-19}Дж.$

Контактные явления

Если сблизить поверхности двух тел так близко, что слои их электронного газа перекроются, то тела станут обмениваться электронами. Силы, которые увлекают электрон в тело будут больше у того тела у которого работа выхода больше.

После того как сблизили тела с их поверхностей начнется переход электронов от вещества с меньшей работой выхода к веществу с большей работой. Как результат первое тело будет заряжаться положительно, второе отрицательно.

Возникающее между телами электрическое поле будет препятствовать движению электронов в результате которого, оно появилось. В состоянии равновесия напряженность поля достигает такого значения, что переход электронов прекращается.

Поверхности имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Между поверхностями устанавливается некоторая разность потенциалов, которая называется контактной.

Появление контактной разности потенциалов было открыто Вольтой в 1797 г. у металлов. Он расположил металлы в ряд, заметил, что если металлы в определенной им последовательности привести в контакт, то при этом каждый предыдущий металл получит более высокий потенциал, чем следующий.

Причем, если несколько металлов одинаковой температуры, привести в контакт, то разность потенциалов между крайними металлами не зависит от того, какими промежуточными металлами они разделяются (закон последовательных контактов Вольты). Если крайние металлы замкнуть в кольцо, то ЭДС в кольце будет равна нулю. Иначе был бы нарушен закон сохранения энергии.

Данное положение не применяется, если в цепи есть электролиты, и могут течь химические реакции.

Контактная разность потенциалов

Для того чтобы объяснить существование контактной разности потенциалов можно использовать модель свободных электронов. Если T=0K, то все уровни энергии до границы Ферми ($\mu $) будет заполнены электронами.

где $n\ $— концентрация электронов проводимости.

Допустим, что мы привели в контакт два металла (1) и (2) с энергиями Ферми равными соответственно ${\mu }_1\ \[{\mu }_1+q_e{\varphi }_{i1}=м_2+q_eц_{i2}\left(4\right).\]

Следовательно,

Так как $q_e{\varphi }_{i1}$.

Этот результат справедлив и при $Te 0.$ В формуле (5) считают, что точка 1 лежит внутри металла (1), а точка 2 внутри второго металла. Это отмечено индексом $i$.

Разность потенциалов ${\varphi }_{i2}-{\varphi }_{i1}$ называют внутренней контактной разностью потенциалов.

Из формулы (5) следует, что внутренняя контактная разность потенциалов удовлетворяет закону последовательных контактов Вольты. Используя формулу (3), получим:

Допустим, что между металлами есть зазор микроскопической величины.

Возьмем внутри зазора точки $1'\ и\ 2'$, которые лежат на расстоянии порядка чуть больше, чем толщина поверхностного слоя от границ соответствующих металлов.

Потенциалы во внешних точках обозначим как ${\varphi }_{e2}\ и\ {\varphi }_{e1}$. Их разность называют внешней контактной разностью потенциалов. Величину внешней контактной разности потенциалов определяют как:

где $A_2,A_1$ — работы выхода на границах металлов. Присутствие внешней контактной разности потенциалов означает, что в зазоре между металлами есть электрическое поле.

Внешняя контактная разность потенциалов также подчиняется закону контактов Вольты.

Пример 1

Задание: Оцените, чему равна внутренняя контактная разность потенциалов для меди.

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем формулу:

\[{\varphi }_{i2}-{\varphi }_{i1}=\frac{h2}{8m_eq_e}{\left(\frac{3}{\pi }\right)}{\frac{2}{3}}\left({n_1}{\frac{2}{3}}-{n_2}{\frac{2}{3}}\right)\left(1.1\right),\]

где $h=6,63\cdot {10}{-34}Дж\cdot с,$ $m_e=9,1\ \cdot {10}{-31}кг$, $q_e=1,6\cdot {10}{-19}Кл.$ Если на каждый атом приходится один свободный электрон, тогда, получим:

\[{\varphi }_{i2}-{\varphi }_{i1}=-3,66\cdot {10}{-15}n{\frac{2}{3}}\sim 1\ \left(B\right).\]

Ответ: Для меди ${\varphi }_{i2}-{\varphi }_{i1}\approx 1\ В.$

Пример 2

Задание: Схематично изобразите образование контактной разности потенциалов между двумя металлами и между двумя диэлектриками.

Решение:

Отличие в образовании контактной разности потенциалов в металлах и диэлектриках состоит том, что электрическое поле не проникает внутрь металлов, но проникает на небольшую глубину внутрь диэлектриков ($d_2-глубина\ проникновения\ поля\ в\ диэлектрике$).

У диэлектрика падение потенциала происходит не только между поверхностями, но и частично в тонком слое внутри диэлектрика около его поверхности.

Но, надо сказать, что толщина этого слоя мала в сравнении с расстоянием между поверхностями, поэтому часто им пренебрегают.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Из рис. 1 видно, что разность между энергий верхних точек потенциальных ям равна $A_{Ф2}-A_{Ф1}$. Значит контактная разность потенциалов между поверхностями тел, в случае их равновесия, задана формулой:

\[\triangle \varphi =\frac{\left|A_{Ф2}-A_{Ф1}\right|}{\left|q_e\right|}\ \left(2.1\right).\]

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/kontaktnye_yavleniya_kontaktnaya_raznost_potencialov/

В данной работе показана некорректность модели свободного электрона для интерпретации явления контактной разности потенциалов.

В качестве альтернативы предложена фотонная концепция, на основании которой показано, что контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации генерируемых фотонов, обусловленной уникальными энергетическими спектрами атомов вещества.

Введение. Контактная разность потенциалов [1] — разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия.

В 1800 г. А. Вольта — итальянский физик, химик и физиолог, в отличие от теории «живого электричества» Л. Гальвани,  предложил свою теорию «металлического» (впоследствии оно было названо гальваническим) электричества. Согласно этой теории, гальванический электрический ток возникает в результате контакта двух разных металлов (например, железа и меди).

Проведя серию экспериментов с проводниками, изготовленными из металлов разного рода, Вольта сумел доказать, что при контакте двух неодинаковых по происхождению металлов один из них становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным. Это открытие итальянского физика и получило название контактная разность потенциалов.

Сам Вольта описывал это понятие, как разность напряжений металлов. [2].

В современных условиях это понятие играет важную роль в физике твёрдого тела и её приложениях. Оно оказывает заметное влияние на работу электровакуумных приборов, используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Явление возникновения контактной разности потенциалов лежит в основе термоэлектрических эффектов, разрешающее создание таких устройств как термопары.

  Внутренняя  контактная разность потенциалов как функция температуры дает возможность применять их для дистанционного контроля температуры (например, в загазованных помещениях) и т.д.

Однако особую важность это понятие приобретает в одном из новейших научных направлений современности – нанофизике и наноэлектронике [3].

Вместе с тем физическая сущность этого явления и механизм его возникновения все еще носят характер предположения и не соответствуют потребностям современной физики. В курсе общей физики, например [4],  возникновение контактной разности потенциалов рассматривается как  следствие двух причин:

1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. Поэтому между двумя металлами при их контакте возникает разность потенциалов, равная

U’ = (А2-А1)/е,

где А1и А2— работа выхода соответственно первого и второго металлов, е — заряд электрона;

2) различная концентрация свободных электронов в металлах.  При соприкосновении двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретет положительный заряд. Другой металл, имеющий меньшую концентрацию электронов вследствие их диффузии, зарядится отрицательно.

Переход электронов и рост напряжения прекратятся, когда электрические силы уравновесятся сторонними силами, вызывающими диффузию свободных электронов. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии свободных электронов, равна

U» = kT/e * ln n1/n2,

где k — постоянная Больцмана, е — заряд электрона, n1и n2 — концентрации свободных электронов соответственно в первом и втором металлах.

Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, будет равна

U = U’ + U» = (А2-А1)/е + kT/e * ln n1/n2.

Согласно определению классической физики [5] электрон  — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества.

Диффузия [6]  (от лат. diffusio распространение, растекание) взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия свободных электронов это движение электронов, т. е.

движение структурных единиц вещества, в соответствии с которым должны происходить изменения физико-химических свойств вещества (согласно определению). С другой стороны, движение свободных электронов образует электрический ток. В 1901 г.

немецкий физик К Рикке провел опыт [7]  по установлению носителя электрического заряда и решения проблемы:  чем обусловлен электрический ток?, на основании которого был сделан вывод, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлических проводников никаких изменений в проводниках не произошло.

… электрический ток в цепи не сопровождается переносом вещества, а носителями электрического тока в металлах является то общее, что присутствует во всех металлах.

Очевидно, что интерпретация контактной разности потенциалов  за счет диффузии свободных электронов противоречит как классическому определению понятия “электрон”, так и опыту Рикке, в соответствии с чем несостоятельна. Кроме того,

существуют варианты контактов различных металлов, когда диффузия свободных электронов не может осуществляться. В частности, в работе [8]  было показано, что в двух проводниках, один из серебра, другой из золота, при равных геометрических параметрах и прочих условиях, концентрация валентных электронов одинаковая, т. е. диффузия практически не реализуема.

Таким образом, основной причиной контактной разности потенциалов становится работа выхода электрона. Согласно современным представлениям [9]:  работа выхода  — энергия, которая затрачивается твёрдым или жидким телом при тепловом возбуждении электрона этого тела в вакууме (в состояние с равной нулю кинетической энергией).

Работа выхода равна разности двух энергий: 1) энергии покоящегося электрона, находящегося в такой точке вне тела, которая, с одной стороны, удалена от поверхности тела на расстояние, во много раз превышающее межатомные расстояния, а с другой стороны, гораздо ближе к рассматриваемой поверхности тела, чем к другим телам и к краю этой поверхности (в частности, эта точка должна быть далека от края рассматриваемой кристаллической грани); 2) электрохимический потенциала электронов в рассматриваемом теле, который в состоянии термодинамического равновесия одинаков во всех точках тела. Если электростатический потенциал в вакууме в указанной точке равен φвак, в объёме тела — φоб, Еф — ферми-энергия электронов (уровень их хим. потенциала),  Еф — е φоб — эл—хим. потенциал электронов в рассматриваемом теле, то работа выхода равна

            Ф = — е φвак  — (Еф — е φоб).

Работу выхода  измеряют по температурной зависимости и по величине термоэмиссионного тока; в металлах и вырожденных полупроводниках — по красной границе внешнего фотоэффекта, а также по измерению контактной разности

потенциалов между исследуемым телом и другим телом, работа выхода которого известна. [9, 10]  При этом наблюдается существенный разброс параметров различных методик измерения, например,  у золота 2,0 – 5,45 эВ, серебра  3,09 – 4,97 эВ. [11]

В работе  [12] было показано, что энергия связи электрона с протоном протон-электронных пар, которые образуют внешний слой атомов вещества находится в пределах 34,65 – 322,7 КэВ. Для отрыва электрона из данных протон-электронных пар потребуется приложить энергию не меньшую энергии связи, которая  в дес. – сотни тысяч раз будет больше работы выхода.

Отсутствие единой методики измерения работы выхода, несовершенство существующих методик, а также несоответствие значений работы выхода электронов и энергии связи электрона в протон-электронной паре указывают на некорректность интерпретации контактной разности потенциалов за счет работы выхода электрона. В этой связи становится актуальной задача поиска концепции интерпретации контактной разности потенциалов, свободной  от выше указанных недостатков.

Фотонная концепция. Теоретическая часть. В результате действия внешних и внутренних факторов (температуры, магнитных и электрических сил, излучения и т. д.

) на проводник, в нем протекают процессы поглощения-генерации фотонов, которые обуславливают появление в проводнике фотонов. Условием генерации новых фотонов в проводнике является неравенство Евн. ≥ Еф., где Евн.

– энергия внешних и внутренних факторов, Еф – энергия генерируемых фотонов.

Энергетическая структура каждого атома вещества характеризуется  соответствующими уникальными спектрами излучения и поглощения.

По определению [13], спектральная плотность энергии излучения uω = ћωnω = hνnω  или uλ = hc/λ nλ, где h – постоянная Планка, с – скорость света. Согласно этому распределению число фотонов  nф в единице объема пространства, обладающих энергией в интервале длин волн от λ до λ + dλ, выражается формулой:

λ2               λ2                                        λ2

nф = ∫ nλdλ = ∫ uλλ/hc dλ = 1/hc ∫ uλλ dλ.                                    (1)

λ1               λ1                                        λ1

Найдем интеграл (1):

n‘ф = 1/3hc  uλ (3λ2 – λ3) ≈ 1/3hc  uλ ( – λ3).                               (2)

Выражение (2) показывает, что количество генерируемых фотонов в проводнике определяется спектральной плотностью энергии излучения данного проводника и длиной волны генерируемых фотонов.

Знак минус указывает на то, что с увеличением длины волны фотона количество генерируемых фотонов уменьшается.

Так как спектральная плотность каждого проводника характеризуется диапазоном длин волн, то наименьшее количество генерируемых фотонов будет определяться энергией фотонов максимальной длины волны, которая интерпретируется в современной физике как красная граница фотоэффекта.

Спектральная плотность любого атома вещества характеризуется линейчатым спектром. Для определения общего количества генерируемых фотонов nф в конкретном проводнике, необходимо просуммировать значения генерируемых фотонов для каждого значения длины волны линейчатого спектра.

Каждый фотон характеризуется величиной электрического заряда. Для простоты будем считать величину электрического заряда е для фотонов разных длин волн одинаковой. Тогда электрический потенциал в объеме проводника будет определяться выражением φоб = nф е.

Ввиду уникальности спектральных характеристик для различных металлов в объеме проводников будут формироваться  разные по величине электрические потенциалы.

Тогда при  контакте двух металлов возникнет разность потенциалов, равная

U’ = φоб2 — φоб1,                                                (3)

Электрический потенциал проводника характеризует потенциальную энергию, образуемую сгенерированными фотонами Еф = φоб е. Соответственно контактная разность потенциалов может быть выражена следующим образом

U’ = (Еф2 — Еф1)/е,                                            (4)

где Еф1 и Еф2 — энергетические спектры энергии поглощения (излучения) соответственно первого и второго металлов, е — заряд фотона.

Таким образом, контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации, обусловленной генерацией фотонов в проводниках внешними и внутренними факторами.

В нормальных условиях  (физ. условия, определяемые давлением р = 101 325 Па (760 мм рт. ст., нормальная атмосфера) и температурой t = 273,15 К (0°С), при которых молярный объём газа V0 = 2,2414-10-2 м3/моль. [14]) в естественной среде  внешним фактором всегда является температура. Оценим вклад энергии, которая характеризуется температурой  Т = 300 К:

Ет =3/2 kT ≈ 0,03875 эВ.

Согласно спектральным характеристикам, например [15], известен фотон с максимальной длиной волны (у водорода) равной  19056,9 нм. Энергия генерируемой пары этих фотонов равна ≈ 0,065 эВ.

У металлов красная граница фотоэффекта значительно меньшей длины волны, чем у водорода.  Например, для натрия  она равна 9085 нм, что соответствует энергии 0,136 эВ.

Таким образом, вклад температурной составляющей при генерации фотонов, например,  у натрия (Ет ≈ 0,03875 эВ

Источник: https://nauka2000.com/%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2-%D1%84%D0%BE%D1%82/

Booksm
Добавить комментарий