Вылет электронов с поверхности металла при его нагревании

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Вылет — электрон

Вылет электронов из фотокатода, освещаемого светом, называется фотоэлектрическим эффектом. Это явление хорошо объясняется фотонной теорией света. [1]

Вылет электронов с соответствующей поверхности ( металла, полупроводника, жидкости) называется электронной эмиссией. Наиболее распространены термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная электронная и электростатическая электронная эмиссии. [2]

Вылет электронов Оже равновероятен во всех направлениях. [3]

Скорость вылета электронов из катода пренебрежимо мала. [4]

Неравномерность вылета электронов из катода во времени порождает флюктуации анодного тока, вследствие чего на анодной нагрузке лампы возникает флгоктуационное напряжение, являющееся напряжением шумов. [5]

Работа вылета электрона пропорциональна величине Ь к-рая характеризует вещество катода ( выгодно малое значение Ъ) и определяется ( правда, при принятии определенного К) из опыта; в пределах точности опыта 6 не зависит от Т, но зависит от напряженности поля у поверхности катода. [6]

Вследствие вылета электронов медный шарик заряжается положительно. Электрическое поле шарика тормозит вылетевшие электроны, однако если их кинетическая энергия достаточно велика для преодоления электростатического притяжения, то они будут уходить практически в бесконечность; при этом потенциал шарика возрастает. [7]

Для вылета электрона из металла необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была достаточной для преодоления его связи с металлом — для совершения работы выхода А из металла. При комнатной температуре лишь немногие электроны обладают необходимой кинетической энергией и термоэлектронная эмиссия невелика. Явление термоэлектронной эмиссии интенсивно происходит при нагревании эмиттера до высокой температуры, соответствующей видимому свечению раскаленного металла. [8]

Процесс вылета электронов с поверхности твердых или жидких тел называется электронной эмиссией. [10]

Для вылета электрона из металла необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была достаточной для преодоления его связи с металлом — для совершения работы выхода А из металла. При комнатной температуре лишь немногие электроны обладают необходимой кинетической энергией и термоэлектронная эмиссия невелика. Явление термоэлектронной эмиссии интенсивно происходит при нагревании эмиттера до высокой температуры, соответствующей видимому свечению раскаленного металла. [11]

Направление вылета электронов Оже является равновероятным во все стороны. [13]

При вылете электрона из области поля пластин на него перестают действовать силы. [14]

Но для вылета электронов из катода и для их дальнейшего движения через лампу важно еще одно обстоятельство: надо, чтобы из лампы был возможно лучше выкачан воздух. [15]

Источник

Термоэлектрические явления в физике

Содержание:

Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Термоэлектрические явления

Термоэлектрические явления – это явления прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратные явления прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Они обусловлены связью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках (полупроводниках). К термоэлектрическим явлениям относятся термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона.

Термоэлектронная эмиссия. Работа выхода

Во всех металлах имеются свободные электроны, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. Внутри металла действие положительных ионов

на свободный электрон в среднем скомпенсировано. На электрон, оказавшийся за наружным слоем положительных ионов, действует электрическая сила притяжения со стороны этих ионов. Когда электроны при своем хаотическом движении пересекают поверхность металла, эта сила тормозит их движение и втягивает обратно в металл. Это означает, что потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне его. Таким образом, если потенциальную энергию электрона вне металла принять за нуль, то его потенциальная энергия внутри металла будет отрицательна.

Пусть имеется кусок металла, изображенный на рис. 18.1, а заштрихованным прямоугольником.

Возьмем ось х, перпендикулярную поверхности металла, и выберем начало отсчета . Изменение потенциальной энергии электрона в зависимости от координаты х показано на рис. 18.1, б. Потенциальная кривая имеет вид потенциальной ямы. При этом обозначает скачок потенциальной энергии при переходе свободного электрона из металла наружу, т. е. глубину потенциальной ямы, в которой находятся электроны, хаотически движущиеся внутри металла. Для выхода из металла электрон за счет своей кинетической энергии должен совершить работу , равную по величине глубине потенциальной ямы , т. е.

Читайте также:  Сарай с металла профиля

Так как скачок потенциальной энергии электрона обусловлен электрическим полем на границе металла, то

где обозначает скачок потенциала при переходе через поверхность металла, а — заряд электрона. Подставляя в (18.1) значение из (18.2), получим

Минимальную работу , которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла (и не вернуться в него), называют работой выхода. Практически можно считать, что работа выхода зависит только от рода металла и от чистоты его поверхности.

При нормальных условиях средняя кинетическая энергия хаотического движения свободных электронов в металле много меньше . Однако некоторые электроны, кинетическая энергия которых больше , могут покинуть поверхность металла. Поэтому над поверхностью металла всегда имеются хаотически движущиеся электроны. Поскольку при нагревании металла средняя кинетическая энергия его свободных электронов возрастает, то можно ожидать, что при достаточно высокой температуре количество свободных электронов, вылетающих в поверхности металла, существенно возрастет. Опыт показывает, что это действительно так. Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием, называется термоэлектронной эмиссией. Заметная эмиссия электронов из металла наблюдается при температуре около 1000 К.

Возьмем- лампу накаливания с впаянным в нее дополнительным электродом А (рис. 18.2).

Присоединим этот электрод и нить накала К к батарее, включив в эту цепь гальванометр . Если лампа не включена в сеть, тока в гальванометре нет, так как нет заметной эмиссии зарядов из холодной нити К. Если же лампа включена в сеть, то, когда электрод А соединен с отрицательным полюсом батареи, тока в гальванометре нет (рис. 18.2, а), а когда с положительным полюсом — ток есть (рис. 18.2, б). Это означает, что раскаленная нить К испускает отрицательные заряды, т. е. электроны, которые и являются носителями тока. При отрицательном заряде электрода А электроны держатся около нити, а при положительном заряде они устремляются от нее к электроду А.

Контактная разность потенциалов

Выясним, как возникает электризация при соприкосновении двух разнородных металлов (§ 14.5). Существуют две причины, вызывающие такую электризацию. Первая причина — это различие в работе выхода электронов из металлов; вторая — неодинаковая плотность электронного газа в металлах, т. е. различное число свободных электронов в единице объема металлов. Рассмотрим, к чему приводит различие в работе выхода электронов из металлов. Пусть имеются пластинки 1 и 2, сделанные из разных металлов, причем (рис. 18.3, а).

Приведем эти пластинки в соприкосновение. Тогда потенциальная кривая для этого случая будет иметь вид, показанный на рис. 18.3, б. На графике видно, что для перехода электронов из металла 1 в металл 2 им нужно совершить работу , которая значительно меньше. Поэтому многие электроны будут переходить слева направо даже и при комнатной температуре. Что же касается электронов в металле 2, то все те электроны, которые при хаотическом движении пересекут границу ВС, останутся в металле 1, так как их потенциальная энергия при этом уменьшается.

Наглядно все это можно представлять себе так: при переходе -из металла 1 в металл 2 электроны должны преодолеть потенциальную ступеньку, а при переходе из металла 2 в металл 1 электроны сами скатываются с потенциальной ступеньки в металл 1. Из сказанного выше следует, что справа налево должно переходить больше электронов, чем в обратную сторону. Поэтому металл 1 заряжается отрицательно, а металл 2 — положительно, т. е. между ними возникает электрическое поле. Все это поле оказывается сосредоточенным в тонком переходном слое между металлами (рис. 18.3, в). Оно тормозит переход электронов из металла 2 в металл 1. Поэтому потоки электронов в обе стороны между металлами быстро уравниваются и наступает подвижное равновесие.

Читайте также:  Какие есть красивые металлы

Разность потенциалов , возникающую между соприкасающимися металлами при подвижном равновесии электронов, называют контактной разностью потенциалов. Контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода .электронов из металлов, может достигать нескольких вольт и практически не зависит от температуры.

Выясним теперь действие второй причины. Пусть концентрация свободных электронов п в первом металле больше, чем во втором, т. е. (рис. 18.4, а). При этом для простоты рассуждений будем считать, что работы выхода электронов из металлов одинаковы. Тогда поток электронов из металла 1 в металл 2, обусловленный их хаотическим движением, будет больше, чем в обратную сторону, и металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно (рис. 18.4, б).

Электрическое поле, которое появляется при этом в переходном слое между металлами, тормозит переход электронов из металла 1 в металл 2, и между потоками электронов в обе стороны быстро наступает подвижное равновесие.

Контактная разность потенциалов между металлами, обусловленная различной концентрацией свободных электронов в металлах, не превышает нескольких сотых долей вольта и возрастает при повышении температуры соприкасающихся металлов. Последнее объясняется тем, что при нагревании электроны движутся быстрее и потоки электронов в обе стороны возрастают. Но больше , поэтому поток электронов из металла 1 в металл 2 возрастает сильнее и разность потенциалов увеличивается.

Термоэлектродвижущая сила

Контактная разность потенциалов при одинаковой температуре всех контактов в замкнутой цепи из металлических проводников не может создать тока, так как она лишь уравнивает потоки электронов в противоположных направлениях (§ 18.2). Если найти алгебраическую сумму всех изменений потенциала в контактах такой цепи, то она будет равна нулю. Следовательно, в этих условиях контактная разность потенциалов не является э. д. с. (рис. 18.5).

Однако если температуры контактов С и D будут разными, то в цепи возникнет э. д. с.

Действительно, если подогреть контакт D, то в нем произойдет переход электронов из металла В в металл А, а контактная разность потенциалов в соединении D возрастет. Так как в металле А на конце D электронов стало больше, то они устремятся к концу С. Увеличение концентрации электронов на конце С вызовет их переход из металла А в металл В через контакт С. Отсюда они по металлу В перейдут к контакту D. Таким образом, если температура контакта D будет все время больше, чем контакта С, то по замкнутой цепи будет происходить направленное движение электронов против часовой стрелки. Следовательно, в такой цепи действует э. д. с. Э. д. с. в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различными температурами контактов, называют термоэлектродвижущей силой (термо- э. д. c.). Термо-э. д. с. в цепи из двух различных металлов прямо пропорциональна разности температур их контактов и зависит от рода металлов. Электрическая энергия в такой цепи получается за счет внутренней энергии источника, поддерживающего разность температур контактов»

Заметим, что термо-э. д. с. невелика и достигает для металлов лишь нескольких стотысячных долей вольта на один градус разности температур контактов в цепи. Заметно большая термо-э. д. с. у полупроводников (она достигает тысячной доли вольта на градус). Это объясняется тем, что концентрация электронов в полупроводниках сильно зависит от температуры. Прибор, состоящий из двух разнородных металлов со спаянными концами, в котором создается электрическая энергия за счет внутренней энергии другого тела, поддерживающего разность температур спаев, называют термопарой или термоэлементом. У термопары делают один-спай, спаивая отрезки проволоки (или пластинки) из двух разнородных металлов, а к свободным концам присоединяют внешнюю—цепь и измерительные приборы. Роль второго (холодного) спая выполняют контакты с проводами внешней цепи (см. рис. 18.6, вверху — условное изображение).

§ 18.4. Явление Пельтье. Выясним, что произойдет, если в цепь из двух разнородных металлов А и В, изображенных на рис. 18.5 включить источник электрической энергии (рис. 18.7), который создаст ток такого же направления, как ток, возникающий в них при подогреве контакта.

Читайте также:  Станки для лазерной резки металла российского производства

В этом случае поток электронов в спае будет тормозиться, так как они должны преодолевать контактную разность потенциалов в переходном слое контакта . В спае С будет происходить обратное явление, электроны будут ускоряться, так как силы поля переходной области в этом контакте будут действовать на электроны в сторону их движения. Таким образом, в контакте кинетическая энергия электронов будет переходить в потенциальную энергию, а в контакте С, наоборот, их потенциальная энергия будет переходить в кинетическую. Это означает, что при замыкании цепи, изображенной на рис. 18.7, контакт должен охлаждаться, а контакт С — нагреваться. Опыт подтверждает этот вывод. Если в цепи переменить направление тока, то охлаждаться будет контакт С, а нагреваться — контакт (объясните, почему).

Это явление было обнаружено в 1834 г. французским ученым Ж. Пельтье и носит его имя. У металлов эффект Пельтье выражен очень слабо и с помощью металлических термопар нельзя добиться заметного охлаждения. Значительно сильнее он проявляется в полупроводниковых термоэлементах. Это позволило использовать эффект Пельтье на практике. На нем основано действие термоэлектрических холодильников, отличающихся простотой и компактностью.

Эффект Пельтье используется в медицине, например, для охлаждения инструмента, которым вынимают хрусталик из глаза при операции. После окончания операции хрусталик с помощью того же инструмента переносится снова в глаз. Конец этого инструмента является спаем двух разнородных полупроводников, который охлаждается при прохождении тока настолько, что, когда касается хрусталика, последний примерзает к нему. Переключение направления тока в инструменте снова освобождает хрусталик.

Применение термоэлектрических явлений в науке и технике

Выше говорилось, что э. д. с. термопары прямо пропорциональна разности температур спаев разнородных металлов. В некоторых случаях наблюдаются отклонения от этого правила, которые объясняются изменением внутреннего строения металла при определенных температурах. Однако для самых различных интервалов температур можно подобрать такие термопары, для которых это правило выполняется. Таким образом, измеряя э. д. с. термопары, можно определять разность температур спаев, т. е. измерять термопарой температуру. Точность измерения температуры при этом определяется точностью измерения э. д. с. вольтметром.

Так как в настоящее время имеются точные и чувствительные вольтметры, то термопары позволяют измерять очень малые разности температур. Кроме того, термопарой можно измерять как очень низкие, так и высокие температуры, поэтому термопары широко используются в науке и технике в качестве точных термометров. Одна из таких термопар показана на рис. 18.8. Опуская один из спаев (А) в тающий снег, определяют температуру другого спая (В) по вольтметру, шкала которого проградуирована в градусах. Иногда для увеличения чувствительности несколько термопар- соединяют в батарею (рис. 18.9).

Это позволяет измерять очень слабые потоки лучистой энергии (например, от звезды).

В практике часто используют термопары железо-константан (сплав ), медь-константан, хромель (сплав)-алюмель (сплав ) и др. Для измерения высоких температур пользуются термопарой, сделанной из тугоплавких металлов, например из платины и ее сплавов (рис. 18.6).

Термопары широко применяются не только для контроля, но и для автоматического регулирования температуры, поскольку от термопары данные о температуре поступают в виде электрического сигнала (термо-э. д. с.), который легко можно усилить с помощью электронных ламп и использовать для управления мощностью нагревателя.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector