Эмиссия электронов из проводников. Контактные явления на границах проводников

1. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

2. 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
Вблизи от поверхности образуется электронное
облако, и на границе раздела формируется
двойной электрический слой с разностью
потенциалов

3.

А=U0-Ef

4.

Работа выхода – работа, которую нужно
совершить для освобождения электрона
с поверхности тела
Численно равна энергии, необходимой для
удаления электрона из вещества в вакуум без
сообщения ему кинетической энергии
(энергетический интервал между уровнем
вакуума и уровнем Ферми).
Обычно измеряется в электронвольтах (эВ)

5.

Электроны проводимости – электрон, окруженный
«шубой» из сопровождающих его зарядами
противоположного знака, связаный с переносом
заряда на большие расстояния.
При Т=0 энергия не равна нулю
Электроны проводимости –при движении в
кристалле своим полем поляризует газ остальных
электронов.
Включают плазмоны- квазичастицы, участвующие в
коллективных
колебаниях,
при
которых
электрический заряд колеблется, сгущаясь и
разряжаясь.

6.

Металлический кристалл -рассматриваются в
модели Зоммерфельда как пустой ящик,
содержащий
невзаимодействующие
свободные электроны
Свободные
электроны
подчиняются
принципу Паули, и описываются теорией
Ферми – Дирака.

7.

8.

9.

10.

Энергия
Фе́рми
(системы
невзаимодействующих фермионов)— это
увеличение энергии основного состояния
системы при добавлении одной частицы.
Энергия
Ферми
может
также
интерпретироваться
как
максимальная
энергия фермиона в основном состоянии при
абсолютном нуле.

11.

Энергия Ферми
В одной ячейке может помещаться не боле
2-х электронов
Екин=р2/2m
При Т=0 заполнена сфера
pF – радиус сферы
Число ячеек внутри сферы

12.

Число электронов вдвое больше
Фермиевский импульс
Фермиевская энергия
Фермиевская энергия -максимальная энергия
электрона при абсолютном нуле.

13.

14.

15.

16.

При нагревании появляется хвост
фермиевского распределения, чем больше
температура, больше хвост, и увеличивается
выход электрона из металла.

17.

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 W0 0.

18.

Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен
преодолеть потенциальный барьер и совершить
работу
Aвых e(φ вн φ пов ).
(6.1.1)
Эту работу называют работой выхода электрона из
металла.
Aвых e(φ вн φ пов ).
Для ее совершения электрону необходимо
сообщить достаточную энергию W Aвых .

19.

20. 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.

21.

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

22.

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.

23.

Явление термоэлектронной эмиссии
открыто в 1883 г. 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.

24.

На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольтамперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua)
Uз– задерживающее напряжение при котором I = 0
Iн – ток насыщения, при котором все электроны,
испускаемые катодом достигают анода

25. Контактные явления на границе раздела двух проводников

Как показывает опыт, на контакте двух
различных металлов образуется
двойной электрический слой и
соответствующая разность потенциалов:

26.

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.

27.

Это явление наблюдалось
итальянским физиком Алессандро
Вольты (1745 – 1827), который
сформулировал два экспериментальных
закона, известных как законы Вольта

28.

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).

29.

На границе 1-3
На границе 3-2
Вдоль проводника потенциал постоянен

30.

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
(6.2.1)
Wi eφ i .

31.

При соединении двух разных металлов с
работами выхода A2 eφ 2
и A1 eφ1
возникает избыточный переход электронов
из второго металла в первый, так как
A2 A1.

32.

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.

33.

Установившуюся разность потенциалов
можно найти из выражения:
A1 A2 kT n1
φ1 φ 2
ln .
e
e
n2
Явление возникновения контактной
разности потенциалов и ее зависимость
от температуры называют прямым
термоэлектрическим эффектом или
эффектом Зеебека.

34.

nA и nB концентрации свободных электронов в
металлах А и В

35.

Коэффициент термоЭДС определяется физическими
характеристиками проводников термоэлемента:
концентрацией,
энергетическим
спектром
и
механизмами рассеяния носителей заряда, а так же
интервалом температур.
Явление используется для изготовления термопар (для
измерения температуры), термогенераторов и
термохолодильников.

36.

37.

ТермоЭДС обусловлена тремя причинами:
-Температурной зависимостью уровня
Ферми.
-Диффузией носителей заряда от горячего
конца к холодному (электронов и дырок).
- Процессом увлечения электронов
фононами.

38.

1.Температурная зависимость уровня Ферми.
U=(F1-F2)/e
F1,2 энергия Ферми, е –заряд электрона

39.

2. Диффузия носителей заряда от горячего конца к
холодному .
Если вдоль проводника существует градиент
температуры, то электроны на горячем конце
приобретают более высокие энергии и скорости,
чем на холодном. В полупроводнике в дополнение к
этому концентрация электронов проводимости
растет с температурой. В результате возникает поток
электронов от горячего конца к холодному, на
котором накапливается отрицательный заряд. На
горячем
остается
нескомпенсированный
положительный
заряд.
Процесс
накопления
продолжается до тех пор, пока разность
потенциалов не вызовет поток электронов в
обратном направлении.

40.

3. Увлечение электронов фононами.
Если в твердом теле существует градиент
температуры, то число фононов, движущихся от
горячего конца к холодному, будет больше, чем в
обратном направлении. В результате столкновений
с электронами фононами могут увлекать последние
и на холодном конце накапливается отрицательный
заряд (на горячем остается положительный заряд),
до тех пор, пока возникшая разность потенциалов
не уравновесит эффект увлечения.

41.

42.

Эффект Зеебека – возникновение ЭДС (возникновение
термоэлектрического тока) в электрической цепи, при
различных температурах контактов двух проводников.
Разность температур должна поддерживаться.

43.

44.

Эффект Пельтье
Обратный термоэлектрический эффект.
При пропускании тока через термопару ее спай
поглощает или выделяет тепло в зависимости от
направления тока. При изменении направления
тока меняется знак тепла
Qп=П12It
где П12 коэффициент Пельтье, зависящий
от материала контактирующих металлов

45.

Эффект Пельтье вызывается тем, что электроны,
переходя с более высокого фермиевского уровня на
более низкий, отдают избыточную энергию решетке,
нагревая ее. (на рис. справа на лево). Переход с
обратном направлении может происходить только за
счет тепла решетки, сопровождаясь охлаждением
контакта

46.

Эффект Томсона
Эффект Томсона – если через проводник, разные
точки которого имеют различные температуры,
пропускать ток, то в проводнике выделяется или
поглощается тепло. Зависит от направления тока и
градиента температуры.
Если электроны е движутся от горячего конца
проводника к холодному (ток в обратном
направлении), то они переносят с собой избыточную
тепловую энергию, которая выделяется в областях с
более низкой температурой. При движении в обратном
направлении
электроны
«нагреваются»,
что
происходит за счет тепла решетки – объяснение
эффекта Томпсона.

47.

• 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

48.

Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ).
При плотности тока 108 А/см2и 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.

49. 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
А
e
φ
φ
eEd
,
вых
вн
пов
здесь d – толщина двойного электрического слоя на
границе раздела сред.

50.

Автоэлектронную эмиссию можно
наблюдать в хорошо откачанной вакуумной
трубке, катодом которой служит острие, а
анодом – обычный электрод с плоской или
мало изогнутой поверхностью.

51.

Напряженность электрического поля
на поверхности острия с радиусом
кривизны r и потенциалом U
относительно анода равна
U
E .
r

52. Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия
(фотоэффект) заключается в
«выбивании» электронов из металла при
действии на него электромагнитного
излучения.

53.

54.

55.

Схема установки для исследования
фотоэффекта аналогичны термоэмиссии.
Здесь, вместо разогрева катода, на него
направляют поток фотонов или
- квантов.
γ

56.

В физических приборах, регистрирующих
γ– излучение, используют
фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Схема прибора приведена на рисунке.

57.

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.

58.

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.

59.

Схема термопары состоящей из спая двух
разных металлов 1 и 2, показана на рисунке.
На концах термопары возникает термоЭДС :
k n1
E ln Т х Т г α Т г Т х ,
e
n2
E Т г Т х ,
где Тг – температура горячего спая и Тx – температура

60.

Таким образом – термоЭДС термопары:
E α(Tг Т х )
– постоянная термопары:
k
n1
α ln
e n2