Электричество (Лекции), страница 6

Средняя скоростьтеплового движения электронов8kT,πmeu =где k = 1,38·10–23 Дж/К – постоянная Больцмана,me = 9,11⋅10–31 кг – масса электрона,T – абсолютная (или термодинамическая) температура (в Кельвинах).При комнатной температуре ( T = 300 К) средняя скорость тепловогодвижения электронов равна u = 1,1·105 м/с. Хаотическое тепловое движениеэлектронов не может привести к возникновению тока.При наложении внешнего электрического поля на металлическийпроводник в дополнение к хаотическому тепловому движению возникаетупорядоченное движение электронов (электрический ток).Даже при предельно допустимых значениях плотности тока, средняяскоростьυ упорядоченного движения электронов, обуславливающегоэлектрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения uυ << u .40.

Основные законы электрического тока в классической теорииэлектропроводности металлов.Закон Ома.Пусть в металлическом проводнике действует поле E = const . Поддействием силы F = eE заряд e движется равноускоренно с ускорениемa=eE teEи к концу свободного пробега приобретает скорость υmax =.mmlСреднее время свободного пробега электронов t =определяетсяuсредней длиной свободного пробегаlи средней скоростью движенияэлектронов относительно кристаллической решетки u + υ ≅ u .Электричество3–303–31Средняя скорость направленного движения электроновeE lυ + 0 eE tυ = max==.22m2m uПлотность токаj = ne υ =где γ =ne 2 lE = γE ,2m une 2 l= – удельная проводимость металла.2m uЗакон Джоуля-Ленца.К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретаетдополнительную кинетическую энергиюEK =e2 lmυ2max=22m u22E2 ,которая при соударении электрона с ионом полностью передается решетке.Если n – концентрация электронов, то в единицу времени в единицеобъема происходит nuстолкновений и решетке передается энергияlw=n2une l 2EK =E = γE 2 .2m ulЗакон Видемана–Франца.Отношение теплопроводности λ к удельной проводимости γ для всехметаллов при одной и той же температуре одинаково и увеличиваетсяпропорционально температуреλ= βT ,γ2⎛k⎞⎟ .⎝e⎠где β = 3 ⎜Трудности классической теории.1.2.Температурнаязависимостьсопротивления:u ~ T , R ~ 1/ γ ,следовательно, R ~ T , что противоречит опытным данным,согласно которым R ~ T .Оценка среднего пробега электронов.

Чтобы получить величиныудельной проводимости γ , совпадающие с опытными данными,следует принимать l в сотни раз больше межатомных расстояний вкристалле.Теплоемкостьметалласкладываетсяизтеплоемкостикристаллической решетки и теплоемкости электронного газа. Поэтомуудельная (рассчитанная на один моль) теплоемкость металла должнабыть существенно выше теплоемкости диэлектриков, у которых нетсвободных электронов, что противоречит эксперименту.Все эти трудности снимаются квантовой теорией.3.А.Н.Огурцов.

Физика для студентов41. Эмиссионные явления.Работа выхода электронов из металла – работа, которую нужнозатратить для удаления электрона из металла в вакуум.Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты ихповерхности. Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можнозначительно изменить работу выхода.Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе,которую совершают силы поля при перемещении элементарногоэлектрического заряда между точками разность потенциалов между которымиравна 1 В. Так как e = 1,6⋅10–19 Кл, то 1 эВ = 1,6⋅10–19 Дж.Электронная эмиссия – явление испускания электронов из металловпри сообщении электронам энергии, равной или большей работы выхода.1. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретымиметаллами.

Пример использования – электронные лампы.2. Фотоэлектронная эмиссия – эмиссия электронов из металла поддействием электромагнитного излучения. Пример использования –фотодатчики.3. Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Отношение числа вторичных электроновn2 к числу первичных n1 , вызвавших эмиссию, называетсякоэффициентом вторичной электронной эмиссии δ = n2 n1 .

Примериспользования – фотоэлектронные умножители.4. Автоэлектронная эмиссия – эмиссия электронов с поверхностиметаллов под действием сильного внешнего электрического поля.42. Газовые разряды.Под действием ионизатора (сильный нагрев, жёсткое излучение, потокичастиц) нейтральные молекулы (атомы) газа расщепляются на ионы исвободные электроны – происходит ионизация газа.Энергия ионизации – энергия, которую надо затратить, чтобы измолекулы (атома) выбить один электрон.Рекомбинацией–называетсяпроцессобратныйионизации:положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны,встречаясь, воссоединяются между собой с образованием нейтральных атомови молекул.Прохождениеэлектрическоготокачерезионизированный газ называется газовым разрядом.Разряд, существующий только под действиемвнешних ионизаторов, называется несамостоятельным газовым разрядом.Разряд в газе, сохраняющийся после прекращениядействия внешнего ионизатора, называется самостояельным газовым разрядом.Рассмотримцепь,содержащуюгазовыйпромежуток (см.

рисунок), подвергающийся непрерывному, постоянному по интенсивности воздействиюионизатора.В результате действия ионизатора газ приобретаетнекоторую электропроводность и в цепи потечет ток, зависимость которого отЭлектричество3–32приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика) представленана следующем рисунке.На участке OA выполняется закон Ома.AB ) рост силы токаЗатем (участокзамедляется,азатем(участокBC )прекращается совсем.

В этом случае числоионов и электронов, создаваемых внешнимионизатором равно числу ионов и электроновдостигающих электродов (и нейтрализующихсяна электродах). Ток I нас , соответствующийучастку BC называется током насыщения иеговеличинаопределяетсямощностьюионизатора.При увеличении напряжения, первичные электроны (созданныеионизатором), ускоренные электрическим полем, в свою очередь начинаютударно ионизовать молекулы газа, образуя вторичные электроны и ионы.Общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере приближенияэлектронов к аноду лавинообразно.

Это является причиной увеличения тока научастке CD . Описанный процесс называется ударной ионизацией.И, наконец, при значительных напряжениях между электродами газовогопромежутка положительные ионы, ускоренные электрическим полем, такжеприобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа, что порождаетионные лавины. Когда возникают кроме электронных лавин еще и ионные, силатока растет уже практически без увеличения напряжения (участок DE ).Лавинообразное размножение электронов и ионов приводит к тому, чторазряд становится самостоятельным, т.е.

сохраняется после прекращениядействия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникаетсамостоятельный газовый разряд называется напряжением пробоя.В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметроввнешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда:1. Тлеющий разряд – возникает при низком давлении.2. Искровой разряд – возникает при большой напряженности электрического поля в газе, находящимся под давлением порядкаатмосферного.3. Дуговой разряд – возникает: а) если после зажигания искровогоразряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояниемежду электродами; б) минуя стадию искры, если электроды(например, угольные) сблизить до соприкосновения, а потом развести.4.

Коронный разряд – возникает при высоком давлениив резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизнойповерхности.Для возникновения самостоятельного газового разряда необходимо,чтобы концентрация и энергия вторичных ионов и электронов,образовавшихся под действием ионизатора, были достаточны для лавинногоразмножения носителей (число вторичных носителей должно превышатьчисло носителей, покидающих газовый разряд вследствие рекомбинации илинейтрализации на поверхностях, окружающих газовый разряд).А.Н.Огурцов.

Физика для студентов.