ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

Содержание

2. 14.1. Эмиссия электронов из проводников Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти
3. Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью
4. Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма
5. Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу (14.1.1) Эту работу
6. 14.1.1. Термоэлектронная эмиссия Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и
7. Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.
8. Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения
9. Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем Эдисоном. Это явление наблюдалось им в
11. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода
12. На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua) Uз– задерживающее напряжение при котором
13. 14.1.2. Холодная и взрывная эмиссия Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в
14. Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом –
15. Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна
16. При и что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного
17. Плотность тока АЭЭ равна где – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода. Проще говоря, закон
18. Электронная микрофотография эмиттера с острийной поверхностью, полученного в г. Дубне с использованием современных трековых методик. Острия
19. Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). При плотности тока 108 А/см2 и большой концентрации энергии 104 Дж⋅м–1 микроострия
20. ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт
21. Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии.
22. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную
23. Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов,
24. 14.1.3. Фотоэлектронная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него
25. Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны термоэмиссии. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют
26. В физических приборах, регистрирующих – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке.
27. В ФЭУ используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов
28. Умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами.
29. 14.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов
30. Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов. Чем она больше, тем меньше
31. Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольта (1745 – 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных
32. Законы Вольты 1. На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы
33. Ряд Вольты. Потенциал каждого последующего металла в этом ряду ниже потенциала предыдущего Опыт Вольты по доказательству
34. Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории. Если принять, что потенциал за пределами металла
35. При соединении двух разных металлов с работами выхода и возникает избыточный переход электронов из второго металла
36. В результате концентрация электронов n1 в металле 1 увеличивается, по сравнению с n2, что порождает обратный
37. Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения: Явление возникновения контактной разности потенциалов и ее зависимость от
38. Эффект Зеебека (прямой термоэлектрический эффект) заключается в появлении разности потенциалов в термопарах.
39. Электромагнит, питаемый током термоэлемента, способен удержать гирю весом в несколько килограммов Эффективная демонстрация термоэлектрического тока может
40. Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2, показана на рисунке. На концах
41. Таким образом – термоЭДС термопары: – постоянная термопары:
42. Эффектом Пельтье обратный термоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при пропускании тока через термопару, ее
43. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР
44. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если
45. Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным
47. В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на
48. Основные параметры термопар промышленного типа
49. ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС
50. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из
51. ВНЕШНИЙ ВИД Миниатюрный и контактный термометр
52. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ Надежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне температур, дешевизна, простота, удобство монтажа,
53. ПРИМЕНЕНИЕ Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение для измерения температуры различных объектов, а также
55. Скачать презентацию

Слайд 2

14.1. Эмиссия электронов из проводников
Электрон свободен только в границах металла. Как

только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом

Слайд 3

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется

двойной электрический слой с разностью потенциалов

Слайд 4

Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке
В занятом

металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма
Так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю.
За пределами металла электрон приобретает энергию W0. Это энергия притяжения, поэтому

Слайд 5

Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и

совершить работу
(14.1.1)
Эту работу называют работой выхода электрона из металла.
Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию

Слайд 6

14.1.1. Термоэлектронная эмиссия
Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от

его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела.
Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией.

Слайд 7

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Слайд 8

Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно

для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум.

Слайд 9

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем Эдисоном.

Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом.
Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током.
Такая лампа называется вакуумным диодом.

Слайд 10

Слайд 11

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически

отсутствует.
При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода.
При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения Iн.
При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода.
Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Слайд 12

На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua)
Uз–

задерживающее напряжение при котором I = 0
Iн – ток насыщения, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода

Слайд 13

14.1.2. Холодная и взрывная эмиссия
Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля

на свободные электроны в металле, называют холодной или автоэлектронной эмиссией.
Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие
(6.1.2)
здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред.

Слайд 14

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом

которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью.

Слайд 15

Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и

потенциалом U относительно анода равна

Слайд 16

При и
что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной

эмиссией с поверхности катода.
Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U.
Катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной.
Закон Чайльда - Ленгмюра

Слайд 17

Плотность тока АЭЭ равна
где – коэффициент
пропорциональности, определяемый геометрией и материалом

катода.
Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).

Слайд 18

Электронная микрофотография эмиттера с острийной поверхностью, полученного в г. Дубне

с использованием современных трековых методик. Острия – конусы высотой 6,6 мкм, диаметром 1,5 мкм. Радиус кривизны вершины 0,1 мкм. Концентрация 107 см−2

Слайд 19

Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ).
При плотности тока 108 А/см2 и

большой концентрации энергии 104 Дж⋅м–1 микроострия начинают взрываться и разрушаться.
Инициируется качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде.
Ток электронов, на порядки превосходит начальный ток ААЭ – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ).
ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.

Слайд 20

ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки

электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 109 А/см2.
Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 1011 ÷ 1012 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre»).
Время образования лавин 10−9 ÷ 10−8 с.

Слайд 21

Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и

является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии.
Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.

Слайд 22

Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода.
Взрывная

эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.

Слайд 23

Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических

установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы.
Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 1013 Вт и более при длительности импульсов 10−10 ÷ 10−6 с, токе электронов 106 А и энергии электронов 104 ÷ 107 эВ.
Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.

Слайд 24

14.1.3. Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из

металла при действии на него электромагнитного излучения.

Слайд 25

Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны термоэмиссии. Здесь, вместо

разогрева катода, на него направляют поток фотонов или - квантов.

Слайд 26

В физических приборах, регистрирующих – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема

прибора приведена на рисунке.

Слайд 27

В ФЭУ используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию,

которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами.
Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК).
Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера.

Слайд 28

Умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении

разности потенциалов между соседними эмиттерами.
Последний электрод называют коллектором.
Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором.
Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.

Слайд 29

14.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников
Как показывает опыт, на

контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов:

Слайд 30

Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов.

Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела.
Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный.

Слайд 31

Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольта (1745 – 1827),

который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта

Слайд 32

Законы Вольты
1. На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит

от химической природы и от температуры спаев.
2. Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре (закон последовательных контактов Вольта).

Слайд 33

Ряд Вольты.
Потенциал каждого последующего металла в этом ряду ниже

потенциала предыдущего

Опыт Вольты по доказательству существования контактной разности потенциалов

Слайд 34

Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории.
Если принять,

что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия электрона внутри металла с потенциалом φi определится выражением
(14.2.1)

Слайд 35

При соединении двух разных металлов с работами выхода и
возникает

избыточный переход электронов из второго металла в первый, так как

Слайд 36

В результате концентрация электронов n1 в металле 1 увеличивается, по сравнению

с n2, что порождает обратный избыточный поток электронного газа за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода.

Слайд 37

Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения:
Явление возникновения контактной разности потенциалов

и ее зависимость от температуры называют прямым термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека.

Слайд 38

Эффект Зеебека
(прямой термоэлектрический эффект) заключается в появлении разности потенциалов в

термопарах.

Слайд 39

Электромагнит, питаемый током термоэлемента, способен удержать гирю весом в несколько

килограммов

Эффективная демонстрация термоэлектрического тока может быть осуществлена в опыте, приведенном на рис.
Толстая U-образная медная дуга перекрывается коротким мостиком 1−2 из константана или железа. Место спая 1 разогревается

Слайд 40

Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2,

показана на рисунке.
На концах термопары возникает термоЭДС :
(14.2.2)
где Тг – температура горячего спая и Тx – температура холодного спая.

Слайд 41

Таким образом – термоЭДС термопары:
– постоянная термопары:

Слайд 42

Эффектом Пельтье
обратный термоэлектрический эффект.
Он заключается в том, что при

пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет тепло в зависимости от направления тока.
Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока.
(6.2.4)
где П12 – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов.

Слайд 43

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР

Слайд 44

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых

основан на явлении Зеебека:
если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток.

Слайд 45

Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующее термоэлектрический эффект для измерения

температуры.
В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр.
Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Слайд 46

Слайд 47

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС.

В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения.
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

Слайд 48

Основные параметры термопар промышленного типа

Слайд 49

ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС

Слайд 50

ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом.

Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К)

Слайд 51

ВНЕШНИЙ ВИД
Миниатюрный и контактный термометр

Слайд 52

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Надежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне температур,

дешевизна, простота, удобство монтажа, возможность измерения локальной температуры, малая инерционность.

Необходимость поддержания температуры холодного спая постоянной и нелинейность на некоторых участках.

Слайд 53

ПРИМЕНЕНИЕ
Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение для измерения

температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.

ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

Содержание

14.1. Эмиссия электронов из проводников Электрон свободен только в границах металла. Как

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется

Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке В занятом

Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и

14.1.1. Термоэлектронная эмиссия Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем Эдисоном.

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически

На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua)Uз–

14.1.2. Холодная и взрывная эмиссия Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом

Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и

При и что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной

Плотность тока АЭЭ равнагде – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом