Контактная разность потенциалов

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Контактная разность потенциалов - это разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух различных проводников, находящихся при одинаковой температуре.

В металлах полупроводниках процессы переноса зарядов (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока - электронов проводимости и дырок. Эта взаимосвязь обуславливает ряд явлений (Зеебека, Пельтье, и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.

При контакте тел с вакуумом или газами наблюдается электронная эмиссия - выпускание электронов телами под влиянием внешних воздействий: нагревания (теплоэлектронная эмиссия), потока фотонов (фотоэмиссия), потока электронов (вторичная эмиссия), потока ионов, сильного электрического поля (автоэлектронная или холодная эмиссия), механических или других, портящих структуру воздействий (экзоэлектронная эмиссия).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контактная разность потенциалов

 

При контакте двух разных металлов один из них заряжается положительно, другой - отрицательно и между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной. Она не очень мала - от десятых долей вольта до нескольких вольт и зависит только от химического состава и температуры контактирующих тел "(Закон Вольта)".

Способ контроля качества спекания агломерационной шихты путем изменения электрических характеристик спекаемого материала, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия непрерывности контроля качества, исключения влияния влажности исходной шихты, измеряют абсолютное значение электрического напряжения (ЭДС) между корпусом спекаемого агрегата и спеченным материалом и сравнивают эту величину с абсолютной величиной электрического напряжения (ЭДС), полученной при спекании материала с эталонными характеристиками.

Способ определения  усталостной прочности металла  заключающийся в том, что образец  из исследуемого металла нагружает  его до разрушения и по числу циклов нагружения до разрушения судят об усталостной прочности металла, с целью определения накопления усталостных повреждений в металле также в процессе его нагружения; измеряют величину работы выхода электрона с его поверхности, например, методом контактной разности потенциалов, по которой судят о накоплении усталостных повреждений в металле.

Контактная разность потенциалов возникает не только между двумя металлами, но и между двумя полупроводниками полупроводником и металлом, двумя диэлектриками и т.д., причем соприкасающиеся тела могут не только твердыми, но и жидкими.

В основе трибоэлектричества (электризации тел при трении) также лежат контактные явления. Причем знаки зарядов, возникающих при трении двух тел, определяются их составом, плотностью, диэлектрической проницаемостью, состоянием поверхности и т.д. Трибоэлектричество возникает при просеивании порошков, разбрызгивании жидкостей, трении газов о поверхности тел и в других подобных случаях.

Способ испытания  органических жидкостей на электролизацию например нефтепродуктов, путем создания в них трением электростатического  потенциала, отличающийся тем, что с целью одновременного определения скорости образования и скорости утечки возникающих зарядов, образование зарядов происходит путем вращения твердого тела, помещенного в исследуемую жидкость.

Другой интересный пример - электростатический коагулятор. Он предназначен для очистки воздуха в штреках. Вентилятор гонит по трубе запыленный воздух. Труба разделяется на два рукава - один из фторопласта, другой - из оргстекла. Пылинки антрацита, трущиеся о стенки, заряжаются по-разному: на фторопласте положительно, на оргстекле отрицательно. Потом рукава сходятся в общую камеру, где размноженные частицы антрацита притягиваются, сливаются.

При контакте металла  с проводником наблюдается вентильный эффект. Контактный слой на границе металла и полупроводника обладает односторонней проводимостью, что используется, например, для выпрямления переменного тока в точечных диодах. Это явление используется во многих типах полупроводниковых приборов.

При соприкосновении  двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Так как проводники находятся при одинаковой температуре, то в отсутствии приложенного напряжения поле может существовать только в пограничных слоях (Правило Вольта). Выделяется внутренняя разность потенциалов (при соприкосновении металлов) и внешняя (в зазоре). Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо, то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых до единиц вольт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опыт Вольта

Вольта доказал существование разности на следующем опыте: на стержень электроскопа насажены два диска из разных материалов (цинк и медь), покрыты тонким слоем диэлектрика и приведены в соприкосновение. На короткое время диски замкнуты медной проволокой, тогда между ними возникла контактная разность потенциалов, причем цинк заряжен положительно, а медь отрицательно. При этом происходит небольшое расхождение листочков электроскопа. Для увеличения показаний снимается медная проволока и диски раздвигаются. Так как заряд, полученного конденсатора не изменился, а емкость упала, то разность потенциалов возросла. Листочки электроскопа разошлись на большие расстояния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термоэлектрические явления

Температура - один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека. В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара - два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов, образующих часть одной и той же цепи. Эта ЭДС зависит только от температуры и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термо ЭДС для пар металлов может достигать 50 мкВ/градус; в случае полупроводниковых материалов величина термоЭДС выше (10 во 2-ой + 10 в 3-ей мкВ/градус).

ТермоЭДС термопары обусловлена тремя причинами . Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой в спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фотонов - квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фотоны сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Явление Пельте

Эффект Пельте обратен  явлению Зеебека.

При протекании тока в  цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Q, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t): Q=П/t. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельте).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Явление Томсона

Эффект Томсона - один из термоэлектрических явлений. Он состоит в том, что если вдоль проводника, по которому проходит электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля-Ленца, в объёме проводника выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное количество теплоты Q (теплота Томсона), пропорциональная силе тока I, времени t, перепаду температур (T2—T1): Q= t (T2—T1) lt. Открыт У. Томсоном (лордом Кельвином) в 1856. Коэффициент Томсона t зависит от природы материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эмиссионные явления

Вакуум является хорошим диэлектриком, так как в нем нет свободных носителей зарядов. Чтобы через вакуум прошел ток в него нужно внести свободную заряженную частицу. Это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии. Рассмотрим это явление на примере лампы. В лампу впаивается металлический проводник, по нему пропускается электрический ток, проводник нагревается, и из него вылетают электроны. Происходит и обратный процесс – электроны возвращаются в проводник – процесс рекомбинации. Если в лампу впаять анод, то электроны начнут двигаться к аноду, в лампе пойдет ток. Вывод: ток в вакууме представляет собой направленное движение заряженных частиц (электронов). Работа лампы диода основана на управлении движения электронами. Лампа диод состоит из катода и анода.

При подаче на анод положительного заряда по лампе пойдет ток. Если увеличить напряжение на аноде, ток увеличится, так как увеличится количество электронов движущихся в сторону катода и увеличивается скорость движения электронов. Но ток увеличивается не до бесконечности, начиная с некоторого напряжения U сколько бы не увеличивать напряжение на аноде, величина тока в лампе остается постоянным, возникает ток насыщения. Это объясняется тем, что при данных условиях катод (+) выделяет примерно одинаковое количество электронов, и все они движутся к аноду (-). Ток насыщения можно увеличить несколькими способами: 
 
    Увеличить температуру подогревателя (сгорит подогрев).

Покрывают катод оксидом Ba или Sr, эти вещества легко выделяют электроны. Лампа диод обладает односторонней проводимостью (когда на анод подают положительный заряд) поэтому лампу диод применяют в качестве выпрямителя. Работа лампы триода основана на управлении током в лампе, для этого внутри лампы ставится сетка.

Триод состоит из: 
 
    Сетка 
    Анод 
    Катод 
    Подогрев.

Сетка всегда заряжена отрицательно и ставится ближе к катоду, так  чтобы при малых напряжениях  на сетке поле между катодом и  сеткой было достаточно большим. На сетку  можно подать такое напряжение, что  ни один электрон не пройдет до анода. Такое напряжение называется запирающим. С уменьшением напряжения на сетке ток в лампе возрастает. Если на сетке “0”, в лампе возникает ток насыщения. Напряжение на сетке регулируют при помощи сигнала. При не больших изменениях напряжения на сетке сильно изменяется ток в лампе. Чтобы снять с лампы большое напряжение ставится нагрузочное сопротивление - резистор. 
 
    По закону Ома: 
    U=I

Лампа увеличивает напряжение примерна в 100 раз. Применяется в  качестве усилителя.

Сетка всегда должна быть заряжена отрицательно или произойдет искажение сигнала.

 

 

 

 

Фотоэлектрическая эмиссия

Явление внешнего фотоэффекта  состоит в испускании (эмиссии) электронов с поверхности тела под действием  света; для этого явления экспериментально установленные зависимости объединяются квантовой теорией света. Свет есть поток квантов; кванты света, попадая в вещество, поглощаются им; избыточная энергия передается электронами, которые получают возможность покинуть это вещество - конечно, если энергия кванта больше, чем работы выхода электрона (см. "Электронная эмиссия"). Заметим, что квантовый характер света, проявляющийся в явлении фотоэффекта, не следует понимать как отрицание волновых свойств света; свет есть и поток квантов, и электромагнитная волна - просто в зависимости от конкретного явления проявляются или квантовые, или волновые свойства. На основе внешнего фотоэффекта создан ряд фотоэлектронных приборов (фотоэлементы различного назначения, фото катоды, фото умножители и т. д.). Внешний фотоэффект играет большую роль в развитии электрических зарядов; фотоэффект в газах определяет распространение электрического заряда, в газах при больших давлениях, обуславливая высокую скорость распространения стримерной формы разряда.

 

 

 

 

 

 

 

 

Вторичная электрическая эмиссия

Открыта в 1902 немецкими  физиками Аустином и Г. Штарке. Электроны, бомбардирующие тело, называются первичными, испущенные - вторичными. Часть первичных  электронов отражается телом без  потери энергии (упруго отражённые первичные  электроны), остальные - с потерями энергии (не упруго отражённые электроны), расходуемой в основном на возбуждение электронов твёрдого тела, переходящих на более высокие уровни энергии. Если их энергия и импульс оказываются достаточно большими для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (истинно вторичные электроны). Все три группы электронов присутствуют в регистрируемом потоке вторичных электронов. Количественно В. э. э. характеризуется коэффициентом В. э. э. у = iвт/iп , где - iвт ток, образованный вторичными электронами, iп - ток первичных электронов, коэффициент упругого r = ir/iп и неупругого з = iз/iп отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии истинно вторичных электронов д = iд/iп (ir, iз, iд - токи, соответствующие упруго отражённым, неупруго отражённым и истинно вторичным электронам, iвт = ir + iд + iд). Коэффициент у, r, з и д зависят как от энергии первичных электронов Eп и угла их падения, так и от химического состава, метода изготовления и состояния поверхности облучаемого образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, образовавшиеся вторичные электроны имеют малую вероятность выйти наружу. В диэлектриках, где концентрация электронов проводимости мала, вероятность выхода вторичных электронов больше. Вместе с тем вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности. В результате, у ряда неметаллических веществ (окислы щёлочноземельных металлов, щелочно-галоидные соединения) у > 1. У специально изготовленных эффективных эмиттеров (интерметаллические соединения типа сурьмяно-щелочных металлов, специальным образом активированные сплавы CuAlMg, AgAlMg, AgAlMgZi и др. ) s 1. У металлов же и собственных полупроводников значение сравнительно невелико. У углерода (сажи) и окислов переходных металлов у < 1 , и они могут применяться как анти эмиссионные покрытия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автоэлектрическая эмиссия

Автоэлектрическая эмиссия - квантово-механическое явление. Ее эмиссионная способность в миллионы раз больше, чем у всех других известных видов эмиссии. Сейчас это явление переживает второе рождение в связи с его замечательными применениями в микроскопии, электронной голографии атомного разрешения, наноэлектронике. В случае автоэлектронной эмиссии внешнее электрическое поле превращают потенциальный порог на границе тела в барьер конечной ширины, и уменьшает его высоту относительно высоты первоначального порога, вследствие чего становиться возможным квантово-механическое туннелирование электронов сквозь барьер. При этом эмиссия происходит без затраты энергии электрическим полем. Под электронной эмиссией понимается испускание электронов из твердого тела или какой-либо другой среды. Наибольший интерес представляет эмиссия электронов в вакуум. Тело, из которого испускаются электроны, называется катодом. Электроны не могут самопроизвольно покинуть поверхность катода, так как для этого надо совершить работу против внутренних сил, удерживающих их на границе раздела катод-вакуум. Таким образом, для того чтобы высвободить электроны из катода, необходимо затратить энергию. По способу, которым эта энергия передается катоду, эмиссионные процессы называются термоэмиссией, когда энергия передается электронам при нагревании катода за счет тепловых колебаний решетки; вторичной электронной эмиссией, когда эта энергия передается другими частицами (электронами или ионами, бомбардирующими катод); фотоэлектронной эмиссией, при которой электроны выбиваются квантами света, и т. п. Автоэлектрической эмиссией называется явление испускания электронов в вакуум с поверхности твердого тела или другой среды под действием очень сильного электрического поля напряженностью F = 107-108 В/см. Для того чтобы создать такие сильные электрические поля, к обычным макроскопическим электродам необходимо было бы прикладывать напряжения в десятки миллионов вольт. Практически автоэлектронную эмиссию можно возбудить при гораздо меньших напряжениях, если придать катоду форму тонкого острия с радиусом вершины в десятые или сотые доли микрона. Сейчас реализованы условия, когда при микроскопических расстояниях катод-анод, равных единицам или долям микрона, и очень малых радиусах кривизны катода r = 20-50 Б (1 Б = 10- 8 см) авто эмиссию удается получать при напряжениях всего в сотни и даже десятки вольт. Среди эмиссионных явлений авто эмиссия занимает особое место, так как это чисто квантовый эффект, при котором для высвобождения электронов из катода не требуется затрат энергии на сам эмиссионный акт в отличие от термо-, фото- и вторичной эмиссии. Работа против сил, удерживающих электрон внутри катода, обычно представляется в виде энергетической диаграммы. Совершение работы против удерживающих сил равнозначно тому, что электрону требуется преодолеть потенциальный барьер U, созданный этими силами. Основными силами, удерживающими электрон на поверхности катода, являются так называемые силы зеркального изображения. Они связаны с тем, что электрон, покидающий катод, поляризует электронный газ внутри твердого тела таким образом, как будто он создает внутри положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду эмитированного электрона. Взаимодействие между этими зарядами осуществляется по закону Кулона.

 

 

 

 

 

 

 

Эффект Молтера

Существует еще один вид эмиссии электронов под действием поля - так называемый эффект Молтера. Эмиссия Молтера наблюдается при наличии на поверхности металла тонких диэлектрических пленок и сильного электрического поля. Основное назначение катодов, обладающих Молтер -эффектом - холодные катоды электронных ламп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Елинсон М. И. , Васильев Г. Ф. Автоэлектронная эмиссия, под ред. Д. В. Зернова. М. : Гос. изд. физ. -мат. лит. , 1958. 272 с.

2. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная  эмиссионная спектроскопия: Пер.  с англ., под ред. Г. Н. Фурсея. М.: Наука, 1990. 320 с. 3. Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966

4. Фридрихов С. А., Мовнин С. М. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 608 с.

5. Бажанова Н. П., Кораблев  В. В., Кудинов Ю. А. Актуальные вопросы вторично-эмиссионной спектроскопии. Учебное пособие. - Л.: ЛПИ, 1985. - 88 с.

6. И. В. Савельев. Курс общей физики, т. 3, М. , Наука, 1979, с. 213. 
 
7. Р. Бьюб, Фотопроводимость твердых тел, М.,1962. 
8. С. М. Рывкин, Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М. ,1963.