С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 97
Текст из файла (страница 97)
соприкасаются одинаковые металлы, то дополнительные разности потенциалов здесь не возникают; поэтому контактная разность всей цепи равна ы12 + ('23 + П34 = = (~11 ~12) + (о2 ~13) + (~13 — ~4) = (11 У4 = С"14, т.е. она такая же, как в отсутствие промежуточных металлов 2 и Я. Контактная разность определяется только крайними металлами цепи. Для измерения контактной разности потенциалов употребляют компенсационные схемы.
Одна из них показана на рис. 338. Две небольшие пластинки из исследуемых веществ располагают параллельно друг другу, одну из пластинок закрепляют непо- 1 198 188 КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ 4б1 движно, а другую с помощью простого механического устройства заставляют колебаться в направлении нормали с небольшой амплитудой (доли миллиметра) и частотой в несколько десятков герц. Если контактная разность равна У, а расстояние между пластинами есть д, то напряженность поля между пластинами равна П/И, а, следовательно, на каждой единице внутренней поверхности пластин имеется заряд 89П/И.
При периодическом изменении д заряд пластин тоже изменяется периодически. Поэтому во внешней цепи появляется переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении г развивается переменное напряжение. Последнее можно усилить усилителем У и зарегистрировать ос- Лп Сп Рис 338 Измерение контактной разности потенциалов циллографом О. Если теперь приложить к пластинам внешнюю разность потенциалов от батареи Б, обратную по знаку контактной разности, и изменять ее с помощью делителя напряжения, то можно добиться, чтобы ток во внешней цепи обратился в нуль. В этом случае приложенное внешнее напряжение, очевидно, как раз равно контактной разности, которая определяется непосредственно по показанию вольтметра Ч. Контактная разность потенциалов непосредственно связана с термоэлектронными работами выхода Ф1 и Фз контактирующих тел 1см.
ниже), а именно еП19 = Фз — ФН (198.1) Это соотношение справедливо как для металлов, так и для полупроводников. Поэтому, если работа выхода одного из проводников уже известна (например, из опытов с термоапектронной эмиссией), то, измеряя Угз, можно найти работу выхода другого проводника. Этот способ широко используют для определения работы выхода веществ с низкой температурой плавления, для которых непосредственные измерения термоэлектронной эмиссии невозможны. 462 ЭЛЕК'!'РИЧЕСКИЕ ЯВЛЕПИЯ В КОНТАКТАХ ГЛ Х1Х Контактная разность потенциалов, так же как работа выхода электронов, сильно изменяется даже при ничтожных загрязнениях поверхностей, их окислении и т.п. Поэтому для получения верных значений контактной разности исследуемые вещества необходимо тщательно очищать и измерения вести в вакууме.
Происхождение контактной разности потенциалов и связь ее с работами выхода становятся ясными при расслсотрении энергетических диаграмм обоих проводников. Особенно прост случай двух металлов, находящихся при температуре абсолютного нуля. Их энергетические диаграммы до соприкосновения изображены на рис. 339 а. На нем И'о> как и раньше, есть Есз с! о с! Рис.
339. Энергетическая диаграмма двух металлов: а — контакта нет; б— контакт есть, но нет равновесия; е — равновесие энергия покоящегося электрона в вакууме. Так как оба металла не заряжены, то электрического поля между ними нет и И'о постоянно; Ес! и Е г энергии дна зоны проводимости; Х! = И'о — Е,! и Хг = И'а — Е с — глубина потенциальных ям, она получила название элскпсроииого сродсшва данного вещества; Г! н Гс — уровни Ферми в каждом из металлов.
Все энергии здесь можно отсчитывать от любого постоянного, но одинакового для обоих металлов уровня, Разность à — Е, = б называется химическим поп!еициалом электронов. В металлах при Т = О он равен максимальной кинетической энергии электронов (ср. 3 155). На рис. 339 показаны также термоэлектроннь!е работы выхода обоих металлов: Ф! = И'"о — Г! = Х! — бс, Фз = Ига — Гэ = Хэ — бг (ср, формулу (158.2)).
После соприкосновения металлов потенциальный барьер, создававшийся вакуумнылг промежутком, исчезает и распределение энергий должно было бы иметь вид, показанный на рис. 339 б Однако при этом электронные газы в обоих металлах не будут находиться и равновесии друг с другом, так как электроны из металла 9 начнут «переливаться» в металл 1; последний будет заряжаться отрицательно, а металл 3 — положительно. Поэтому э металле 1 потенциальная энергия электронов, т.е.
дно зоны проводимости, будет повышаться, а в металле 3 — понижаться Так как величины Х и Р характеризуют вещества и не зависят от того, заряжено ли тело или не заряжено, то и уровни энергии Г и И'е дэя металла Я будут понижаться относительно их значений для металла 1. Электрический ток прекратится тогда, когда уровни Ферми Г! и Гэ в обоих металлах окажутся равными друг другу (рис 339 е). Это заключение, имеющее простой наглядный смысл 463 теРмоэлектгичество 1 199 еУгг = е(уч — угг) = с! — сг.
(198.2) Он определяется разностью химических потенциалов электронов в контактирующих телах. 9 199, Термоэлектричество В 3 193 мы видели, что на границе соприкосновения двух различных проводников имеются контактные скачки потенциала У', которые сущестнуют и при разомкнутой цепи. Это значит, что в приконтактном слое возникает электродвижущая сила. Сторонние силы Я 64) появляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в разных проводниках. Однако если температура всей цепи одинакова, то результирующая ЭДС ранна нулю.
Рассмотрим в качестве примера цепь, показанную на рис. 340 и состоящую из двух разных проводников 1 и Й Будем считать для простоты, что соединительные провода, ведугпне к вольтметру, сделаны также из проводника 1, так А В С Л что скачки потенциала в контактах А и Р 1 2 не возникают, Тогда распределение потен- т! Т циала в цепи будет иметь вид, показан- Ч ный на рис.
341 а. Скачки потенциала в контактах В и С равны по модулю, но противоположны по знаку, н поэтому вольтметр, присоединенный к концам цепи А и Р, не покажет напряжения. Это справедливо для любого числа проводников: Рис. 340. Термоэлектрическая цепь для двух металлов прн Т = О, справедливо и в общем случае любой температуры как для металлов, так и для полупроводников. При равновесии проводников, способных обмениватьсп электронами, и находящихся при оды!аховой температуре, уровни Ферми в э!них проводниках одииахови.
При установившемся электронном равновесии края обеих потенциальных ям уже не находятся на одинаконом уровне, а значит, потенциальная энергия электрона — еУ! у поверхности метвлла 1 1точка а) не равна -ес1г у поверхности металла 2 !точка б) (рис. 339 в). Их разность есть — еУ! — ( — е11г) = (Х! — 4!) — 1Хг — (г) = Ф вЂ” Фг.
Так как 1У! — Г~) есть контактная разность потенциалов бсгг, то отсюда получается формула 1198. 1) . 1Ь рис. 339 в видно также, что в равновесии днища потенциальных ям Е,! и Е,г находятся на разных уровнях. Это показывает, что при переходе через контактный слой внутри металлов потенциальная энергия электрона — еу! тоже изменяется. Контактный скачок потенциала б!гг выражается так: 464 элвктгичвскив явлвния в контактах гл. х1х электродвижущая сила цепи, составленной из какого угодно числа электронных проводников (проводников 1-го рода), находящихся при одинаковой температуре, равна нулю.
Однако если температура контактов неодинакова, то полная ЭДС цепи уже не равна нулю, и при замыкании цепи в ней появляется ток. Это явление получило название терлеоэлекшричества, а возникающая ЭДС называется термвэлектродвижуп4ей силой ( терм в- ЗДС) . .1 а б А В С 1з А В С Р Рнс. 34Ь Распределение потенциала н цепи, изображенной на рнс. 340> прн т1 =Т (а) впряг > 7 (В) Чтобы пояснить причины возникновения термо-ЭДС вернемся опять к простой цепи из двух проводников (см. рис. 340) и положим, что температура Т| контакта В больше температуры Т контакта С. Будем также считать для простоты, что температура разомкнутых концов цепи А и 4) одинакова и тоже равна Т. Так как тепловые скорости электронов вблизи контакта В больше, чем вблизи контакта С, то в проводнике Я возникнет поток диффузии электронов, направленный от В к С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
