Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют еще желкзо-никелевые, или щелочпые, аккумуляторы, которые отличаются меньшим весом при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой — из никеля, а электролитом служит раствор едкого калия КОН. В заряженном 459 1 199 КОНТАКТНАЯ РАЗНООТЬ ПОТБНЦИАЛОВ состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля %(ОН)з, а катодом -- железо.
Их ЭДС вЂ” около 1,3 В Существуют и другие типы аккумуляторов. ГЛАВА Х1Х ЭЛЕКТРИ"ВЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ При соприкосновении двух проводников электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны или если их температура в разных точках неодинакова, то оба потока диффузии электронов неодинаковы и один из проводников заряжается положительно, а другой — отрицательно. Поэтому внутри проводников и во внешнем пространстве между проводниками появляется электрическое поле. В состоянии равновесия внутри проводников устанавливается такое поле, которое как рзз компенсирует разность потоков диффузии Существованием этих электрических полей обусловлен ряд электрических явлений в контактах, которые рассматриваются в настоящей главе й 198.
Контактная разность потенциалов Рассмотрим два различных проводника 1 и 2, находящихся в электрическом контакте (рис. 336). Температуру проводников будем считать сначала одинаковой Согласно сказанному выше на обоих проводниках появляются электрические заряды, а между оп свободными их концами возникает электрическое поле. Разность потенциалов между любыми двумя точками а и б (рис. 336), находящимися аб вне проводников, но расположенными в непосредственной близости от 2 их поверхностей, называется внеитней хонтахпиюй разностью потен- Рис Ззб При сепринеснееециалов или просто контактной нии двух различных металлов разностью потенци лов.
В даль- вп внешнем простршштее новейшем мы будем ее обозначать че- является электрическое поле, а рез 019=01 — Уг где 111 — потенциал на )шверхности металлов ноэ- 9) Уэ -- вблизи проводника 2 (в точке б). Так как в отсутствие тока поверхность каждого проводника является эквипотенциальной, то эта разность потенциалов, конечно, не зависит от положения 460 ГЛ Х1Х ЗЛБКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ точек а и б, пока одна из них находится у поверхности проводника 1, а другая — у поверхности проводника 2. Обратимся теперь к электрическому полю внутри контактирующих проводников. Если температура в каждой точке проводника одинакова, то по закону Ома плотность тока 2 внутри однородного проводника есть 1 = АЕ.
Так как наша цепь разомкнута (1 = О), то и электрическое поле в любой точке в толще каждого проводника равно нулю, а потенциал внутри него постоянен. Отсюда следует, что электрическое поле внутри проводников может существовать только в тонких пограничных слоях на границах проводник 1 — проводник 2 и проводник 1 (или 2)— вакуум. Потенциал же на этих границах должен испытывать скачкообразное изменение. Разность потенциалов 012 — = у1 — уг, где 321 — потенциал внутри проводника 1, а 322 — внутри проводника 2, мы будем называть енутренней контактной разностью потсцциалое или контикеинъсм а скачком потен4411ала.
1 Рассмотрим теперь цепь, состо- М ящую не из двух, а из нескольких металлов 1, 2, Я, 4' (рис. 337). Если бы мы ее разрезали по аа, то между свободными концами металлов вб 1 н 2 была бы контактная разность ~112 = ~11 П2 ° "б Аналогично между разрезами аа и бб была бы разность потенциалов Рис 337. При соединении несколькик проводников (1, 2, Я, 4) (123 с'2 с*3> электрическое поле между сво- а у последней пары металлов бодными концами цепи определяется только крайними провод- ~134 ~3 о'4 никами (1 и 4) Так как в плоскостях аа, бб и т.д. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
