Контактная разность потенциалов. Контактные и термоэлектрические явления

Работа выхода

Контактные и термоэлектрические явления

В состоянии равновесия любой металлический образец окружен тонким слоем электронов, вылетевших из металла в окружающее пространство. При этом заряженная положительно (вследствие вылета части электронов) поверхность металла и слой вылетевших электронов являются обкладками своеобразного конденсатора, между которыми существует разность потенциалов Dj. Для удаления электрона из металла его энергия должна быть достаточной для преодоления электрического поля поверхностного конденсатора W_к³eDj.

Значение минимальной кинетической энергии электрона, достаточной для выхода его из металла, называют работой выхода и измеряют в несистемных единицах энергии – электрон-вольтах (1 эВ=1,6×10^‑19 Дж).

Значение работы выхода зависит как от рода металла, так и от состояния его поверхности.

Если два разнородных металлических проводника привести в контакт, то электроны получают возможность переходить из одного проводника в другой и обратно. Равновесное состояние такой системы наступит тогда, когда возникшая между металлами разность потенциалов прекратит перетекание электронов из одного металла в другой[2].

Величина контактной разности потенциалов определяется различием работ выхода и концентраций электронов в контактирующих металлах:

.

Получим выражение для контактной разности потенциалов.

Пусть (при равной концентрации электронов) работа выхода электрона из металла 1 больше, чем из металла 2. Тогда электроны будут чаще переходить из металла 2 в металл 1, чем обратно. В результате металл 1 зарядится отрицательно, а 2 – положительно и между ними возникнет контактная разность потенциалов Dj _A.

Рис. 16.1

Для того, чтобы найти контактную разность потенциалов Dj _A подсчитаем работу по перенесению электрона по замкнутому контуру (рис. 16.1). Эта работа согласно (11.19) равна нулю:

,

где A₁₂ – работа по перемещению электрона из одного металла в другой; A₁ и A₂ – работа выхода электронов соответственно из первого и второго металлов. Отсюда

,

следовательно,

.

(16.1)

Рассмотрим теперь вторую часть контактной разности потенциалов , связанную с различием концентраций электронов в металлах. Очевидно, что если n₂ > n₁, то переходы электронов из металла 2 в металл 1 будут происходить чаще, чем в обратном направлении. В результате металл 1 зарядится отрицательно, а металл 2 – положительно и возникшее электрическое поле прекратит дальнейшее перемещение электронов. В области контакта двух металлов электронный газ будет находиться в потенциальном (электростатическом) поле, поэтому для распределения концентрации электронов применима формула Больцмана

,

(16.2)

где DW=eDj_n.

Из (16.2) следует

.

(16.3)

Из (16.1) и (16.3) находим общее выражение для контактной разности потенциалов:

.

(16.4)

Экспериментально существование контактной разности потенциалов установил А. Вольта, сформулировавший следующие законы.

1. Контактная разность потенциалов между двумя металлами зависит от их химической природы и температуры.

2..Контактная разность потенциалов между концами цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных разнородных металлов, находящихся при одинаковых температурах, не зависит от свойств промежуточных проводников и равна

Рис. 16.2

контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников цепи: Dj = Dj₁₃ (рис. 16.2).

Действительно,

,

откуда

.

Дата добавления: 2015-06-04