Контактные и термоэлектронные явления

 

 

§1 Работа выхода

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве, это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму.

 

 

 

 

 

 

Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности, который возникает по следующим причинам: случайное удаление электрона из наружного слоя положительных ионов решетки (с поверхности металла) приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают назад. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой. Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона Ер0.

 

 

 

 

 

Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить разную энергию. Электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию Ер0; для электрона, находящегося на уровне Ферми достаточна энергия Ep Emax = Ep EF. Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела или жидкости в вакуум, называется работой выхода:

ej = Ep EF (при Т = 0 и при "T)

(справедливо и для полупроводников).

Уровень Ферми зависит от температуры:

 

Кроме того, с изменением температуры изменяется глубина потенциальной ямы Ер0. Þ Работа выхода ej зависит от температуры.

            Работа выхода зависит также от чистоты поверхности и наличия окисных пленок на поверхности металла.

 

 

§2 Контакт двух металлов по зонной теории.

Контактная разность потенциалов (к.р.н.)

 

            Если два разных металла привести в соприкосновение, то между ними возникнет разность потенциалов, называющаяся контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта (1745-1827) установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называют рядом Вольта. Контактная разность j для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

            Два закона Вольта:

  • Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.
  • Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном контакте крайних проводников.

 

 

 

 

 

 

            Объяснить возникновение контактной разности потенциалов (к.р.н.) можно с помощью зонной теории. Рассмотреть контакт двух металлов с различными работами выхода А1 и А2, т.е. с различными положениями уровня Ферми. Если А1 < А2, то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Þ, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2,что приведет к тому, что металл 1 будет иметь положительный заряд, а металл 2 - отрицательный. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле 1 все уровни смещаются вниз (т.к. электроны уходят из него), в металле 2 - вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, т.е. пока не выровняются уровни Ферми.

            Т.к. для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А1 и А2 не изменяются, (они являются константами металлов и не зависят от того, находится металл в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их поверхности (в т. А и В на рис. ) будет различной. Þ между т. А и В устанавливается разность потенциалов, которая равна

Разность потенциалов, обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов.

Если уровни Ферми двух контактных металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов.

В квантовой теории доказывается, что внутренняя контактная разность потенциалов возникает из-за различных концентраций электронов в контактирующих металлах.

            Dj² зависит от температуры Т контакта металлов (т.к. EF зависит от температуры), и является причиной термоэлектрических явлений. Как правило

Dj² << Dj¢

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся в приконтактной области, называемой контактным слоем. Толщина контактного слоя ~ 10-10 м, т.е. сравнима с междоузельными расстояниями в кристаллической решетке. Число электронов, диффундирующих через контактный слой ~ 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Проводимость металлов при их контакте не меняется и к контактный слой проводит электрический ток.

К списку лекций

Главная