Лекция №7 электрический ток в веществе
Электрический ток в металлах. Контактные явления. Теорема Вольта. Термоэлектродвижущая сила. Ток в вакууме
Электрический ток в металлах.
Электроны в атоме по современным представлениям находятся вокруг положительного ядра атома на определенных энергетических уровнях. Электропроводность вещества определяют электроны наименее связанные с ядром и находящиеся на внешнем валентном энергетическом уровне. Однако электрический ток имеет место в проводниках содержащих гигантское количество атомов. Такие хорошие проводники как металлы образуют из атомов кристаллическую решетку. В случае объединений атомов в кристаллическую решетку помимо энергетических уровней, принадлежащих каждому атому на которых могут находиться электроны, появляется еще один разрешенный энергетический уровень (уровень проводимости), определяемый взаимным влиянием всех атомов Рис.7.1. На этом уровне так же могут находиться электроны. Эти электроны могут перейти на уровень проводимости лишь с валентного уровня атомов. На этом уровне электроны практически не связаны с конкретными атомами и могут свободно перемещаться внутри проводника, являясь свободными электронами и обеспечивая механизм протекания электрического тока.
Рис.7.1
У металлов валентный уровень и уровень проводимости практически совпадают, поэтому в нормальном состоянии металлы содержат большое число свободных электронов и являются хорошими проводниками
Электроны проводимости в куске металла могут свободно перемещаться подобно молекулам идеального газа заключенного в некоторый объем. Некоторые электроны обладая большей кинетической энергией могут выходить за пределы объема проводника. При выходе электрона из проводника, проводник до этого нейтральный становится положительно заряженным, так как в нем недостает одного отрицательного заряда электрона, вылетевшего за пределы проводника.
Контактные явления. Теорема Вольта.
Так как в проводнике в результате теплового движения всегда присутствует, какая- то часть электронов с большей чем у остальных энергией, то с поверхности проводника всегда вылетает некоторое число электронов Рис.7.2. Таким образом, в результате нескомпенсированных зарядов ядер атомов, проводник становится положительно заряженным и на вылетевшие электроны действует Кулоновская сила притяжения со стороны проводника. Под действием этой силы большинство вылетевших элетронов возвращается обратно в проводник. Таким образом над поверхностью проводника существует постоянный поток электронов от поверхности и поток электронов к поверхности проводника, что обуславливает наличие над поверхностью постоянного электронного облака плотность которого зависит от температуры проводника. Этот процесс подобен процессу образования парового облака над поверхностью кипящей воды.
Рис.7.2.
Отрицательно заряженное электронное облако и положительно заряженная поверхность металла создают так называемый двойной электрический слой подобный электрическому конденсатору. Как и у всякого конденсатора между обкладками, так и в двойном слое между облаком и поверхностью существует разность потенциалов . Электрическое поле этого слоя-конденсатора тормозит вылетающие с поверхности металла электроны, и для его преодоления необходимо совершить дополнительную работу A=e. Но электроны, вылетев с поверхности металла, обладают некоторой кинетической энергией Emax, поэтому для того, чтобы преодалев двойной слой покинуть металл им нужно совершить работу несколько меньшую чем A, Aвых=e - Emax . Эта работа называется работой выхода.
Наименьшая работа, необходимая для выхода электрона из металла называется РАБОТОЙ ВЫХОДА.
Эта работа выхода равна eP , где тот потенциал, который недостает электрону, чтобы окончательно преодолеть двойной слой, и уйти с поверхности металла. Этот потенциал носит название контактного потенциала данного металла Рис.7.3.
Рис.7.3.
У различных металлов контактный потенциал различный и меняется в пределах от 1 до 10 вольт. Контактный потенциал зависит от температуры металла его чистоты и качества его поверхности.
При соприкосновении двух металлов начинается переход электронов из металла 1 где их энергия E1 выше, чем в металле 2, где E2 ниже. Это будет происходить до тех пор, пока верхние уровни энергии электронов в этих металлах не выровняются. При этом установится динамическое подвижное равновесие. Часть электронов из первого металла перейдет во второй, при этом первый металл зарядится положительно, а второй отрицательно. При этом (так как eP1< eP2 ) электрон совершит некоторую работу равную eP12, где P12= P2 - P1. В этом случае P12 называется контактной разностью потенциалов металлов 1 и 2. Она равна разности контактных потенциалов этих металлов.
Контактная разность потенциалов не создает электрического тока. Однако в районе контакта могут быть электрические поля, заметно сказывающиеся на показания приборов.
Покажем, что контактная разность потенциалов в обычных условиях не может инициировать электрический ток. Возьмем три куска разных металлов и соединим их последовательно друг с другом Рис.7.4.
Рис.7.4.
Найдем контактную разность потенциалов P13 между металлом 1 и 2
P13= P12+ P23= P2 - P1+ P3 - P2= P3- P1. 7.1.
Таким образом, контактная разность потенциалов последовательно соединенных металлов не зависит от вида металлов расположенных внутри последовательной цепочки, а зависит от вида металла расположенного веачале и в конце этой цепочки.
Отсюда вытекает важное следствие, если мы последовательно соединенную цепочку металлов замкнем в кольцо Рис.7.5, электрический ток в таком кольце идти не будет, так как суммарная контактная разность потенциалов в этом случае будет равняться нулю.
Рис.7.5
Д
ействительно