Вывод Закона Джоуля-Ленца
Теория Друде объясняет выделение теплоты.
Причина нагрева: Электроны, двигаясь под действием поля, набирают кинетическую энергию, но затем при столкновениях с ионами решётки эта энергия мгновенно передаётся ионам.
Результат: Энергия упорядоченного движения электронов переходит в энергию хаотических тепловых колебаний ионов, что приводит к нагреву проводника (выделению теплоты ).
Мощность, выделяемая в единице объема (объёмная плотность мощности):
Поскольку
,
а
,
это приводит к макроскопической формуле
Закона Джоуля-Ленца:
.
Закон Видемана-Франца 🌡️
Закон Видемана-Франца устанавливает связь между электрической и тепловой проводимостью металлов.
Формулировка: Отношение коэффициента теплопроводности (
)
металла к его удельной электрической
проводимости (
)
является постоянной величиной для всех
металлов при данной температуре и прямо
пропорционально абсолютной температуре
(
).
Где — число Лоренца.
Физический смысл (в рамках теории Друде): Закон показывает, что перенос тепла и перенос электрического заряда в металлах осуществляются одними и теми же носителями — свободными электронами.
Металлы, которые хорошо проводят электричество (высокое ), также хорошо проводят тепло (высокое ).
Несмотря на то, что классическая теория даёт не совсем точное значение числа Лоренца, сам факт линейной зависимости от температуры подтверждается.
Значение: Этот закон стал важным подтверждением того, что именно свободные электроны ответственны за оба вида транспорта (тепловой и электрический) в металлах.
Вот конспект по работе выхода и эмиссионным явлениям в металлах:
17. Работа выхода электронов и Эмиссионные явления Работа Выхода Электронов ( ) 🛡️
Работа выхода ( ) — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он смог преодолеть потенциальный барьер на границе раздела металл-вакуум (или металл-диэлектрик) и покинуть металл.
Физический смысл: Внутри металла электроны удерживаются силами притяжения со стороны положительно заряженной кристаллической решётки. Чтобы вырваться, электрону нужно совершить работу против этих сил.
Зависимость: Работа выхода — характеристика вещества, которая зависит от:
Природы металла (химического состава).
Состояния его поверхности (наличия оксидных плёнок, адсорбированных атомов).
Единицы измерения: В физике твёрдого тела и электронике обычно измеряется в электрон-вольтах (
).
Эмиссионные Явления (Электронная Эмиссия)
Электронная эмиссия — это процесс испускания электронов с поверхности твёрдого тела (обычно металла) в окружающее пространство. Эмиссия возникает, когда энергия, сообщаемая электронам, превышает работу выхода.
Различают четыре основных типа эмиссии в зависимости от источника сообщаемой энергии:
1. Термоэлектронная Эмиссия 🌡️
Механизм: Эмиссия электронов, вызванная нагреванием металла до высоких температур.
Суть: При высокой температуре тепловая энергия, получаемая свободными электронами, становится достаточной для преодоления потенциального барьера (
).Применение: Электронные лампы, катоды в электронно-лучевых трубках.