- •1.1. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Закон кулона.
- •1.3. Электростатическое поле.
- •1.4. Принцип суперпозиции. Электростатических полей.
- •1.5. Задачи электростатики.
- •1.6. Поле диполя.
- •2.1. Теорема гаусса
- •2.2. Применение теоремы гаусса для расчета
- •2.3. Теорема гаусса в дифференциальной форме.
- •3.1. Циркуляция вектора напряженности
- •3.2. Потенциал электростатического поля.
- •3.3. Напряженность, как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности.
- •3.4. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля.
- •4.1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •4.2. Поляризованность.
- •4.3. Электрическое смещение.
- •4.4. Теорема гаусса для электростатического
- •4.5. Условия на границе раздела
- •4. 6. Сегнетоэлектрики.
- •5.1. Проводники в электрическом поле.
- •5.2. Электрическая емкость проводника.
- •5.3. Конденсаторы.
- •Параллельное соединение конденсаторов.
- •2. Последовательное соединение конденсаторов.
- •5.4. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля.
- •1. Энергия системы неподвижных точечных зарядов.
- •2. Энергия заряженного уединенного проводника.
- •3. Энергия заряженного конденсатора.
- •4. Энергия электростатического поля.
- •6.1. Электрический ток.
- •6.2. Сила и плотность тока.
- •6.3. Сторонние силы.
- •6.4. Закон ома.
- •6.5. Сопротивление проводников.
- •6.6. Зависимость сопротивления
- •7.1. Работа и мощность тока.
- •7.2. Закон джоуля - ленца.
- •7.3. Закон ома для неоднородного участка цепи.
- •7.4. Правила кирхгофа для разветвленных
- •8.1. Элементарная классическая теория
- •8.2. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов.
- •1. Закон Ома.
- •2. Закон Джоуля - Ленца.
- •3. Закон Видемана - Франца.
- •8.3. Работа выхода электронов из металла.
- •9.1. Эмиссионные явления и их применение.
- •1. Термоэлектронная эмиссия — это испускание электронов нагретыми металлами.
- •9.2. Ионизация газов.
- •9.3. Газовый разряд.
- •9.4. Самостоятельный газовый разряд.
- •3. Дуговой разряд.
- •9.5. Плазма и ее свойства.
- •10.1. Магнитное поле.
- •10.2. Закон био-савара-лапласа.
- •Принцип суперпозиции полей в магнетизме
- •10.3. Закон ампера.
- •10.4. Магнитное поле движущегося заряда.
- •11.1. Действие магнитного поля на движущийся заряд.
- •11.2. Движение заряженных частиц в
- •11.3. Ускорители заряженных частиц.
- •11.4. Эффект холла.
- •11.5. Циркуляция вектора индукции
- •12.1. Магнитное поле соленоида и тороида.
- •12.2. Магнитное поле земли.
- •12.3. Поток вектора магнитной индукции.
- •12.4. Работа по перемещению проводника и
- •13.1. Явление электромагнитной индукции. Закон фарадея и его вывод из закона сохранения энергии.
- •13.2. Вращение рамки в магнитном поле.
- •13.3. Вихревые токи (токи фуко).
- •14.1. Индуктивность контура. Самоиндукция.
- •14.2. Токи при размыкании и замыкании цепи.
- •14.3. Взаимная индукция. Трансформаторы. Передача электрической энергии.
- •14.4. Энергия магнитного поля.
- •15.1. Магнитные моменты электронов и атомов.
- •15.2. Магнитное поле в веществе.
- •15.3. Намагниченность.
- •15.4. Условия на границе раздела двух магнетиков.
- •15.5. Ферромагнетики и их свойства.
- •15.6. Природа ферромагнетизма.
- •16.1. Колебания.
- •16.2. Переменный ток. Получение переменного тока.
- •16.3. Закон ома для цепи переменного тока.
- •16.4. Цепь переменного тока, содержащая r,c, l.
- •16.6. Резонанс токов.
- •16.7. Мощность, выделяемая в цепи
- •17.1. Гармонические колебания в
- •17.2. Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты. Биения
- •17.3. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •17.4. Свободные затухающие колебания в
- •17.5. Вынужденные колебания.
- •17.6. Дифференциальные уравнения
- •17.7. Резонанс в колебательном контуре..
- •18.1. Вихревое электрическое поле.
- •18.2. Ток смещения.
- •18.3. Уравнение максвелла для
- •1.1. Закон сохранения электрического заряда.
2. Закон Джоуля - Ленца.
К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную кинетическую энергию
<Ek> = (mv2max)/2 = {(e2< l>2)/(2m<u>2)}.E2 (8.11.)
При соударении электрона с ионом эта энергия полностью передается решетке и идет на увеличение внутренней энергии металла, т.е. на его нагревание. За единицу времени электрон испытывает с узлами решетки в среднем < z> столкновений:
< z> = <u>/< l>. (8.12.)
Если n - концентрация электронов, то в единицу времени происходит n< z> столкновений и решетке передается энергия
w = n< z>.< Ek>, (8.13.)
которая идет на нагревание проводника. Следовательно, энергия, передаваемая решетке в единице объема проводника за единицу времени,
w = (nmv2max)/2 = {(ne2< l>2)/(2m<u>2)}.E2 (8.14.)
и называется удельной тепловой мощностью тока.
3. Закон Видемана - Франца.
Металлы обладают как большой электропроводностью, так и высокой теплопроводностью. Это объясняется тем, что носителями тока и теплоты в металлах являются одни и те же частицы - свободные электроны, которые перемещаясь в металле, переносят не только электрический заряд, но и энергию хаотического теплового движения, т.е. осуществляют перенос теплоты. По закону Видемана - Франца, отношение теплопроводности l к удельной проводимости g для всех металлов при одной и той же температуре одинаково и увеличивается пропорционально термодинамической температуре:
l/g = b, (8.15.)
где b - постоянная, не зависящая металла. Теплоемкость металлов складывается из теплоемкости его кристаллической решетки и теплоемкости электронного газа. Поэтому атомная (т.е. рассчитанная на 1 моль вещества) теплоемкость металла должна быть значительно большей, чем атомная теплоемкость диэлектриков, у которых нет свободных электронов.
8.3. Работа выхода электронов из металла.
Свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода.
Есть две вероятные причины появления работы выхода:
1. Если электрон по какой-либо причине удаляется из металла, то в том месте, которое покинул электрон, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им положительному заряду.
2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояние порядка атомных размеров и создают тем самым над поверхностью металла < электронное облако>, плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образуют двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10-10 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Таким образом, электроны при выходе из металла должны преодолеть задерживающее действие электрического поля двойного слоя. Разность потенциалов Dj в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода А электрона из металла:
Dj = А/е, (8.16.)
где е - заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен Dj. Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна - еDj и является относительно вакуума отрицательной. Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,610–19 Кл, то 1 эВ= 1,610–19 Дж.
Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия A = 2,2 эВ, у платины A=6,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А = 4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.
Лекция № 9.