- •Электричество и постоянный ток Электронный учебник по физике кгту-кхти. Кафедра физики. Старостина и.А., Кондратьева о.И., Бурдова е.В.
- •Оглавление
- •Электричество и постоянный ток
- •1. Электростатика.
- •1.1. Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Закон Кулона.
- •1. 3. Электростатическое поле и его напряженность.
- •1.4. Графическое изображение электростатических полей
- •1. 5. Принцип суперпозиции электростатических полей.
- •1.6. Электростатическое поле электрического диполя.
- •1.7. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1. 8. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.
- •1. 9. Применение теоремы Гаусса для расчета напряженности электростатического поля.
- •1 Рис.1.12. К определению работы перемещения заряда в электростатическом поле. .10. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда.
- •1.11. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.
- •1.12. Потенциальная энергия и потенциал электростатического поля.
- •1.13. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
- •1.14. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •1.15. Диэлектрики в электрическом поле
- •1.15.1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •1.15.2. Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков
- •1.15.3. Напряженность поля в диэлектрике
- •1.15.4. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •1.15.5. Сегнетоэлектрики
- •1.15.6. Пьезоэлектрический эффект.
- •1. 16. Проводники в электростатическом поле
- •1. 17. Электрическая емкость уединенного проводника
- •1. 18. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
- •1. 19. Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля
- •2. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, сила и плотность тока
- •2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •2.3. Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи
- •2.4. Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости.
- •2.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
- •2. 6. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
- •3. Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках
- •3.1. Опытные доказательства электронной проводимости металлов.
- •3.2. Основные положения классической теории электропроводности металлов
- •3. 3. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.
- •3. 4. Термоэлектрические явления
- •3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде
- •3. 6. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
- •3.7. Элементы современной квантовой или зонной теории твердых тел.
3. 3. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.
При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум). При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле после их вылета, и против сил отталкивания от электронов, вылетевших ранее. С ростом Т количество электронов, имеющих достаточную кинетическую энергию и покидающих металл, увеличивается.
Вблизи поверхности возникает «электронное облако», которое вместе с поверхностным слоем положительных ионов образует двойной электрический слой толщиной 10-10-10-9 м. Поле этого слоя препятствует выходу следующих электронов. Разность потенциалов слоя называется поверхностным скачком потенциала. Работу, которую должен совершить электрон при выходе из металла, называют работой выхода А: .Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах (эВ). 1эВ - работа перемещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1В (1эВ=1.610-19 Дж). Работа выхода электрона зависит от химической природы металла и чистоты его поверхности и не зависит от температуры. Для чистых металлов величина работы порядка нескольких эВ.
В 1797 г. итальянский физик Вольта обнаружил сходное явление и при контакте двух металлов, он установил, что при соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая от их химического состава и температуры (первый закон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.
Рис.3.1.Контакт
двух различных металлов.
Второй причиной появления контактной разности потенциалов между металлами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n01 и n02. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, который подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно:, где- концентрация молекул,k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Пусть , тогда р1р2, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направлении. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электрическое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результате этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теоретический расчет возникающей разности потенциаловпоказал, что она зависит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна . При комнатной температуре значениеимеет порядок 10-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов .
На основании опытных данных Вольтой был установлен второй закон: разность потенциалов на концах разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой температуре, равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников. Пусть цепь состоит из четырех разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру. Сумма контактных разностей потенциалов соприкасающихся пар будет равна , то есть не зависит от промежуточных проводников 2 и 3.
Контактная электризация тел, т.е. возникновение между телами контактной разности потенциалов, встречается довольно часто и не только у металлов. Например, ею обусловлена электризация тел в процессе трения. При контакте двух диэлектриков внешние электроны атомов, расположенных у поверхности соприкосновения, переходят преимущественно на диэлектрик с меньшей диэлектрической проницаемостью , то есть на диэлектрик, у которого внешние электроны прочнее связаны со своими атомами. При последующем разделении тел, одно из них (с большим значением ) заряжается положительно, другое - отрицательно. Контактная электризация имеет место в коллоидных растворах: жидкость и взвешенные в ней твердые частицы имеют заряды разного знака. При воздействии на коллоидный раствор электрическим полем, взвешенные частицы начинают двигаться вдоль силовых линий поля. Это явление называется электрофорезом. Электрофорез широко используется для выделения эмульсий из нефти, очистки фруктовых соков, удаления пыли и дыма из воздуха, разделения сложных белковых систем на компоненты и т.п.
Контактной электризацией обусловлено и явление электроосмоса: перемещение жидкости в неподвижном пористом теле, помещенном в электрическое поле. Электроосмос применяется для сушки (холодная электросушка) волокнистых и пористых веществ, очистки воды, обезвоживания торфа и глины. Контактная разность потенциалов играет важную роль в работе электровакуумных приборов.