Контактні й термоелектронні явища

 

 

§1 Робота виходу

Електрони провідності не залишають мимовільно метал у помітній кількості, це пояснюється тим, що метал представляє для них потенційну яму.

 

 

 

 

 

 

Покинути метал вдається тільки тем електронам, енергія яких виявляється достатньої для подолання потенційного бар'єра, наявного на поверхні, який виникає по наступних причинах: випадкове видалення електрона із зовнішнього шару позитивних іонів решітки (з поверхні металу) приводить до виникнення в тому місці, яке покинув електрон, надлишкового позитивного заряду. Кулонівська взаємодія із цим зарядом змушує електрон, швидкість якого не дуже велика, повернутися назад. Таким чином, окремі електрони увесь час залишають поверхню металу, віддаляються від неї на кілька міжатомних відстаней і потім повертають назад. У результаті метал виявляється оточеною тонкою хмарою електронів. Ця хмара утворює разом із зовнішнім шаром іонів подвійний електричний шар. Сили, що діють на електрон у такому шарі, спрямовані усередину металу. Робота, чинена проти цих сил при перводі електрона з металу назовні, іде на збільшення потенційної енергії електрона Ер0.

 

 

 

 

 

 Для видалення за межі металу різним електронам потрібно повідомити різну енергію. Електрону, що перебуває на самому нижньому рівні зони провідності, необхідно надати енергію Ер0; для електрона, що перебуває на рівні Ферми достатня енергія Ep Emax = Ep EF. Найменша енергія, яку необхідно повідомити електрон для того, щоб вилучити його із твердого тіла або рідини у вакуум, називається роботою виходу:

ej = Ep EF ( при Т = 0 і при "T)

(справедливо й для напівпровідників).

Рівень Ферми залежить від температури:

 

Крім того, зі зміною температури змінюється глибина потенційної ями Ер0. Þ Робота виходу ej залежить від температури.

            Робота виходу залежить також від чистоти поверхні й наявності окісних плівок на поверхні металу.

 

 

§2 Контакт двох металів по зонній теорії.

Контактна різниця потенціалів (к.р.п.)

 

            Якщо два різні метали привести в зіткнення, то між ними виникне різниця потенціалів, що називається контактною різницею потенціалів. Італійський фізик А. Вольта (1745-1827) установив, що якщо метали Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести контакт у зазначеній послідовності, те кожний попередній при зіткненні з одним з наступних зарядиться позитивно. Цей ряд називають рядом Вольта. Контактна різниця j для різних моментів становить від десятих до цілих вольтів.

            Два закони Вольта:

  • Контактна різниця потенціалів залежить лише від хімічного складу й температури дотичних металів.
  • Контактна різниця потенціалів послідовно з'єднаних різних провідників, що перебувають при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників і дорівнює контактної різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому контакті крайніх провідників.

 

 

 

 

 

 

            Пояснити виникнення контактної різниці потенціалів (к.р.п.) можна за допомогою зонної теорії. Розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А1 і А2, тобто з різними положеннями рівня Ферми. Якщо А1 < А2, то рівень Ферми розташовується в металі 1 вище, чим у металі 2. (, при контакті металів електрони з більш високих рівнів металу 1 будуть переходити на більш низькі рівні металу 2, що приведе до того, що метал 1 буде мати позитивний заряд, а метал 2 - негативний. Одночасно відбувається відносний зсув енергетичних рівнів: у металі 1 усі рівні зміщаються вниз ( тому що електрони йдуть із нього), у металі 2 - нагору. Цей процес буде відбуватися доти, поки між дотичними металами не встановиться рівновага, тобто поки не вирівняються рівні Ферми.

            Т.як для дотичних металів рівні Ферми збігаються, а роботи виходу А1 і А2 не змінюються, (вони є константами металів і не залежать від того, перебуває метал у контакті чи ні), то потенційна енергія електронів у точках, що лежать поза металами в безпосередній близькості до їхньої поверхні (у т. А и В на рис. ) буде різною. Þ між т. А и В установлюється різниця потенціалів, яка рівна

Різниця потенціалів, обумовлена відмінністю робіт виходу контактуючих металів, називається зовнішньою контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Ферми двох контактних металів не однакові, то між внутрішніми томками металів спостерігається внутрішня контактна різниця потенціалів.

У квантовій теорії доводиться, що внутрішня контактна різниця потенціалів виникає через різні концентрації електронів у контактуючих металах.

            Δφ'' залежить від температури Т контакту металів ( тому що EF залежить від температури), і є причиною термоелектричних явищ. Як правило

Δφ''<< Δφ'

Внутрішня контактна різниця потенціалів виникає в подвійному електричному шарі, що утворюється в приконтактній області, називаної контактним шаром. Товщина контактного шару ~ 10-10 м, тобто порівнянна з міжвузольними відстанями в кристалічній решітці. Число електронів, що дифундують через контактний шар ~ 2% від загального числа електронів, що перебувають на поверхні металу. Провідність металів при їхньому контакті не міняється й до контактний шар проводить електричний струм.

До списку лекцій

Головна