![](/user_photo/1582_49eGd.jpg)
- •Лекции по физике
- •Механика. Молекулярная физика. Кинематика
- •Основные понятия и величины
- •2. Кинематика частицы. Перемещение, скорость, ускорение
- •1) Векторный способ описания движения.
- •2) Координатный способ описания движения.
- •3. Кинематика вращательного движения твердого тела
- •Динамика. Законы Ньютона и их следствия
- •1. Сила, масса, импульс
- •2. Первый закон Ньютона
- •3. Преобразования координат Галилея
- •4. Второй закон Ньютона
- •5. Третий закон Ньютона
- •6. Классический принцип относительности
- •Работа и энергия
- •1. Работа переменной силы
- •2. Кинетическая энергия частицы
- •3. Консервативные силы и потенциальная энергия
- •4. Потенциальная энергия центральных сил
- •5. Градиент потенциальной энергии
- •6. Механическая энергия частицы и закон ее изменения
- •Момент импульса
- •1. Момент импульса частицы
- •2. Закон изменения момента импульса. Момент силы
- •3. Момент импульса относительно оси
- •Законы изменения и сохранения полного импульса системы частиц
- •2. Центр масс. Уравнение движения центра масс
- •Реактивное движение. Уравнение Мещерского
- •Энергия системы частиц
- •Закон сохранения механической энергии
- •Момент импульса системы. Уравнение моментов
- •Закон сохранения момента импульса
- •Динамика твердого тела
- •1. Вращение тела относительно закрепленной оси
- •2. Момент инерции и его вычисление
- •3. Кинетическая энергия вращения
- •4. Плоское движение
- •Колебания
- •1. Гармонический осциллятор
- •2. Физический и математический маятники
- •3. Затухающие гармонические колебания
- •4. Сложение гармонических колебаний
- •5. Вынужденные колебания
- •6. Резонанс
- •1. Постулаты специальной теории относительности
- •2. Одновременность и синхронизация часов
- •3. Следствия постулатов Эйнштейна
- •4. Преобразования Лоренца
- •5. Энергия релятивистской частицы
- •Введение в термодинамику
- •Начнем рассматривать термодинамические системы, описываемые
- •Измерить температуру можно по изменению какого-либо другого параметра, меняющегося при изменении энергии тела, на чем основано действие разнообразных термометров.
- •3 Нулевое начало термодинамики
- •4 Уравнение состояния идеального газа
- •При обычных условиях, т.Е. При не очень больших давлениях
- •1 Термодинамическое определение энтропии
- •2 Второе начало термодинамики
- •3 Тепловые машины. Циклические процессы
- •4 Цикл Карно
- •Энтропия (статистический подход)
- •1 Энтропия при необратимых процессах в предыдущей главе было показано, что реальные процессы протекают
- •Направление необратимых процессов определяется ростом энтропии
- •При изменении термодинамических параметров это равновесие
- •Необратимые процессы в газах. Явления переноса
- •Многокомпонентные термодинамические системы и необратимые процессы в них
- •1 Фазы и химический потенциал
- •2 Диффузия в газах
- •Реальные среды
- •1 Межмолекулярное взаимодействие
- •3 Свойства реального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •4 Поверхностное натяжение
- •Электричество. Магнетизм. Волновые процессы и оптика. Электростатическое поле.
- •Проводник в электрическом поле
- •Электрическое поле в диэлектриках
- •Энергия электрического поля
- •Законы постоянного тока
- •Контактные явления в проводниках
- •Магнитное поле в вакууме
- •Проводник с током в магнитном поле
- •Магнитное поле в магнетиках
- •Явление электромагнитной индукции
- •Энергия магнитного поля
- •Электрические колебания
- •Электромагнитное поле. Теория Максвелла
- •Волновые процессы. Электромагнитные волны
- •Интерференция электромагнитных волн
- •Дифракция электромагнитных волн
Контактные явления в проводниках
Работа выхода электрона из металла
Свободные
электроны металла движутся по
кристаллической решетке хаотически с
огромными скоростями
.
В целом металл электрически нейтрален.
Если бы его потенциал был равен потенциалу
окружающей среды (вакуума), то ничто не
препятствовало бы вылету свободных
электронов за пределы металла. В
действительности на границе проводника
создается эффективное электрическое
поле, препятствующее такому вылету.
Металл окружен очень тонким отрицательно
заряженным слоем электронов, а ионы на
границе металла образуют слой
положительного заряда той же величины.
Такое распределение заряда на границе
металла создает двойной электрический
слой, толщина которого не превышает
нескольких межатомных расстояний.
Электрическое поле
двойного слоя препятствует вылету
свободных электронов в вакуум. Энергия
электрона
за пределами металла, в вакууме, больше,
чем внутри металла, а для потенциалов
электрического поля на границе
выполняется условие
.
Чтобы
электрон вылетел из металла, ему надо
совершить работу против сил этого
граничного электрического поля и
приобрести энергию
Величина
называетсяпотенциалом
выхода
электрона из металла.
Работой выхода электрона из металла называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону в металле, чтобы он преодолел поле двойного электрического слоя и вылетел за пределы металла:
.
Контактная разность потенциалов
Металлы
различаются значениями концентрации
свободных электронов n,
работой выхода и величиной энергии
Ферми
.
Чем больше концентрация свободных
электронов, тем большую величину имеет
энергия Ферми, и тем меньше работа
выхода электрона из металла.
Если
металлы соединить, то начнется диффузия
свободных электронов из металла, в
котором их концентрация больше, в
металл, где она меньше. Эта диффузия
продолжаться до тех пор, пока концентрации
свободных электронов в металлах не
сравняются. Наступает динамическое
равновесие: сколько электронов
переносится через границу за счет
диффузии, столько же и возвращается
обратно электрическим полем в месте
контакта. При контакте, в состоянии
динамического равновесия, энергии
Ферми (средние энергии свободных
электронов) в обоих металлах выравниваются,
Хотя потенциалы металлов постоянны
(1=const,
2=const),
но они не равны между собой. Их разность
называетсяконтактной
разностью потенциалов.
Контактная разность потенциалов имеет не электростатическую природу (возникает за счет диффузии) и является электродвижущей силой, способной создать ток. Но если спаять в кольцо проводники из разных металлов, то возникающие в контакте э.д.с. направлены навстречу друг другу и компенсируются: ток по такой замкнутой цепи не потечет.
Термоэлектрические явления
Явление Зеебека (1821 г.)
Спаянные
в замкнутую цепь разнородные проводники
называются термопарой.
Начнем нагревать один из спаев ().
При нагревании энергия Ферми металлов
слабо увеличивается, причем для различных
металлов увеличивается по-разному.
Контактные разности потенциалов в
спаях тоже изменяются по-разному и уже
не будут компенсировать друг друга. В
термопаре появляется ненулевая
результирующая термо-э.д.с:
Функция
называется удельной термо-э.д.с. Она
зависит от природы металлов и очень
слабо зависит от температуры, так что
при не очень большой разности температур
ее можно считать постоянной:
.
Если
поместить спаи разнородных металлов
в области с различной температурой, то
по термопаре потечет ток
,
который можно использовать, например,
для зарядки аккумуляторов. На этом
принципе основана работа экологически
чистых геотермальных станций,
преобразующих тепло подземных источников
в электрическую энергию. По величине
тока
можно также определить разность
температур, т.е. использовать термопару
в качестве термометра.
Явление Пельтье (1834 г.)
Это
явление обратно явлению Зеебека. Энергия
свободного электрона
больше в той области, где металл заряжен
отрицательно. Поэтому на границе двух
металлов энергия электрона после
преодоления контактного электрического
поля должна измениться.
Если через такой спай пропустить электрический ток, то движущиеся в обратном направлении электроны, проходя через спай, должны либо отдавать часть своей энергии, либо забирать ее у кристаллической решетки в месте спая.
При пропускании электрического тока через спай разнородных металлов, спай будет либо нагреваться, либо, в зависимости от направления тока, охлаждаться. Это и есть явление Пельтье.
При
этом выделяемое или поглощаемое тепло
пропорционально протекшему через спай
заряду
:
.
Коэффициент
называется коэффициентом Пельтье и
связан с удельной термо-эдс соотношением
.
Явление Томсона (1856 г.)
Это явление заключается в том, что тепло выделяется и при прохождении тока по однородному проводнику с градиентом температуры на концах. То есть при пропускании тока от нагретого конца к холодному проводник будет нагреваться, а если изменить направление тока - охлаждаться.