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 поледвойного слоя препятствует вылету свободных электронов в вакуум. Энергия электроназа 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 токаможно 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.