Elektronide tööfunktsiooni valem
Metallides on juhtivuselektronid, mis moodustavad elektrongaasi ja osalevad soojusliikumises. Kuna juhtivuselektronid hoitakse metalli sees, siis pinna lähedal on jõud, mis mõjuvad elektronidele ja on suunatud metalli sisse. Selleks, et elektron lahkuks metallist väljapoole oma piire, tuleb nende jõudude vastu teha teatud töö A, mida nn. elektronide töö funktsioon valmistatud metallist. See töö on erinevate metallide puhul loomulikult erinev.
Metalli sees oleva elektroni potentsiaalne energia on konstantne ja võrdne:
W p = -eφ , kus j on metalli sees oleva elektrivälja potentsiaal.
Kui elektron läbib pinna elektronkihi, väheneb potentsiaalne energia kiiresti tööfunktsiooni väärtuse võrra ja muutub väljaspool metalli võrdseks nulliga. Elektronenergia jaotust metalli sees saab kujutada potentsiaalse süvendina.
Eeltoodud tõlgenduses on elektroni tööfunktsioon võrdne potentsiaalikaevu sügavusega, s.o.
A väljund = eφ
See tulemus vastab klassikalisele metallide elektroonilisele teooriale, milles eeldatakse, et elektronide kiirus metallis järgib Maxwelli jaotusseadust ja on absoluutse nulli temperatuuril võrdne nulliga. Kuid tegelikkuses alluvad juhtivuselektronid kvant-Fermi-Dirac statistikale, mille kohaselt on absoluutses nullis elektronide kiirus ja vastavalt ka nende energia nullist erinev.
Maksimaalset energiat, mis elektronidel on absoluutses nullis, nimetatakse Fermi energiaks E F. Sellel statistikal põhinev metallide juhtivuse kvantteooria annab tööfunktsioonist erineva tõlgenduse. Elektronide töö funktsioon metallist võrdub potentsiaalse barjääri kõrguse eφ ja Fermi energia vahega.
A välja = eφ "- E F
kus φ "on metalli sees oleva elektrivälja potentsiaali keskmine väärtus.
Tabel lihtsate ainete elektronide tööfunktsioonist
Tabelis on näidatud polükristalliliste proovidega seotud elektronide tööfunktsiooni väärtused, mille pind puhastatakse tolmuimejaga kaltsineerimise või mehaanilise töötlemise teel. Sulgudes on ebapiisavalt usaldusväärsed andmed.
|
Aine |
Aine valem |
Elektronide tööfunktsioon (W, eV) |
|
alumiiniumist |
||
|
berüllium |
||
|
süsinik (grafiit) |
||
|
germaanium |
||
|
mangaan |
||
|
molübdeen |
||
|
pallaadium |
||
|
praseodüüm |
||
|
tina (γ-vorm) |
||
|
tina (β-vorm) |
||
|
strontsium |
||
|
volfram |
||
|
tsirkoonium |
Metallides on juhtivuselektronid, mis moodustavad elektrongaasi ja osalevad soojusliikumises. Kuna juhtivuselektronid hoitakse metalli sees, siis pinna lähedal on jõud, mis mõjuvad elektronidele ja on suunatud metalli sisse. Et elektron saaks metallist väljuda oma piiridest väljapoole, tuleb nende jõudude vastu sooritada teatud töö A, mida nimetatakse elektroni tööfunktsiooniks metallist. See töö on erinevate metallide puhul loomulikult erinev.
Metalli sees oleva elektroni potentsiaalne energia on konstantne ja võrdne:
Wp = -eφ, kus j on metalli sees oleva elektrivälja potentsiaal.
21. Kontaktpotentsiaali erinevus on juhtide potentsiaalide erinevus, mis tekib siis, kui kaks erinevat juhti puutuvad kokku sama temperatuuriga.
Kui puutuvad kokku kaks erineva tööfunktsiooniga juhti, ilmuvad juhtidele elektrilaengud. Ja nende vabade otste vahel tekib potentsiaalne erinevus. Potentsiaalide erinevust juhtidest väljaspool asuvate punktide vahel nende pinna lähedal nimetatakse kontaktpotentsiaalide erinevuseks. Kuna juhid on sama temperatuuriga, saab rakendatud pinge puudumisel väli eksisteerida ainult piirkihtides (Volta reegel). Eristage sisemist potentsiaali erinevust (metallide kokkupuutel) ja välist (vahes). Väliskontakti potentsiaalide erinevuse väärtus võrdub elektroni laengule viidatud tööfunktsioonide vahega. Kui juhid on ühendatud rõngas, on rõngas EMF võrdne 0-ga. Erinevate metallipaaride puhul on kontaktpotentsiaali erinevuse väärtus kümnendikust volti kuni mõne volti.
Termoelektrilise generaatori töö põhineb termoelektrilise efekti kasutamisel, mille põhiolemus seisneb selles, et kahe erineva metalli ristmiku (ristmiku) kuumutamisel tekib potentsiaalide erinevus nende vabade otste vahel, mille temperatuur on madalam. või nn termoelektromotoorjõud (termo-emf). Kui sulgete sellise termoelemendi (termopaari) välistakistusega, siis läbib ahelat elektrivool (joonis 1). Seega toimub termoelektriliste nähtustega soojusenergia otsene muundamine elektrienergiaks.
Termoelektromootorjõu suurus määratakse ligikaudu valemiga E = a (T1 - T2)
22. Magnetväli - liikuvatele elektrilaengutele ja magnetmomendiga kehadele mõjuv jõuväli, sõltumata nende liikumisolekust; elektromagnetvälja magnetiline komponent
Liikuv laeng q, loob enda ümber magnetvälja, mille induktsioon on
kus on elektroni kiirus, on kaugus elektronist välja antud punktini, μ - kandja suhteline magnetiline läbilaskvus, μ 0 = 4π · 10 -7 H/m- magnetkonstant.
Magnetiline induktsioon- vektorsuurus, mis on magnetväljale (selle mõjule laetud osakestele) iseloomulik jõud ruumi antud punktis. Määrab, millise jõuga mõjub magnetväli kiirusega liikuvale laengule.
Täpsemalt on tegemist sellise vektoriga, et kiirusega liikuvale laengule magnetvälja küljelt mõjuv Lorentzi jõud on võrdne
23. Vastavalt Bio-Savart-Laplace'i seadusele kontuuri element dl mida läbib vool I, loob enda ümber magnetvälja, mille induktsioon mingil hetkel tekib K
kus on kaugus punktist K praegusele elemendile dl, α - raadiusvektori ja praeguse elemendi vaheline nurk dl.
Vektori suuna saab leida Maxwelli reegel(gimbal): kui kruvida kardaani õige keermega juhtelemendis oleva voolu suunas, siis käepideme liikumissuund näitab magnetinduktsiooni vektori suunda.
Rakendades Bio-Savart-Laplace'i seadust erinevat tüüpi kontuuridele, saame:
Raadiusega ringikujulise pöörde keskel R praeguse jõuga I magnetiline induktsioon
Magnetiline induktsioon vooluringi teljel 
kus a Kas kaugus punktist, kus B ringvoolu tasapinnale,
Väli, mille tekitab lõpmatult pikk vooluga juht, eemal r dirigendilt
Lõpliku pikkusega juhi tekitatud väli kaugusel r juhist (joon. 15) 
Väli toroidi või lõpmatult pika solenoidi sees n- pöörete arv solenoidi pikkuseühiku kohta (toroid)
Magnetilise induktsiooni vektor on magnetvälja tugevusega seotud suhtega
Mahuline energiatihedus magnetväli:
25 .Induktsiooniga magnetväljas liikuv laetud osake B kiirusega υ , magnetvälja küljelt jõud, mida nimetatakse Lorentzi jõu poolt
ja selle jõu moodul on 
.
Lorentzi jõu suunda saab määrata vasaku käe reegel: kui paned vasaku käe nii, et kiirusega risti olev induktsioonivektori komponent siseneb peopessa ja neli sõrme asetsevad positiivse laengu liikumiskiiruse suunas (või vastupidi negatiivne laeng), näitab painutatud pöial Lorentzi jõu suunda
26 .Tsüklilise laenguga osakeste kiirendite tööpõhimõte.
Laetud osakese pöörlemisperioodi T sõltumatust magnetväljas kasutas Ameerika teadlane Lawrence tsüklotroni - laetud osakeste kiirendi - idees.
Tsüklotroon koosneb kahest deest D 1 ja D 2 - õõnsad metallist poolsilindrid, mis on paigutatud kõrgvaakumisse. Deeside vahesse tekib kiirenev elektriväli. Sellesse pilusse langev laetud osake suurendab liikumiskiirust ja lendab poolsilindri (dee) ruumi. Deed asetatakse konstantsesse magnetvälja ja dee sees oleva osakese trajektoor paindub ümber ringi. Kui osake siseneb teist korda deeside vahelisse pilusse, muutub elektrivälja polaarsus ja see muutub taas kiirenevaks. Kiiruse suurenemisega kaasneb trajektoori raadiuse suurenemine. Praktikas rakendatakse deesile vahelduvväli sagedusega ν = 1 / T = (B / 2π) (q / m). Osakeste kiirus suureneb iga kord elektrivälja toimel toimuvate dede vahelises intervallis.
27.Ampri jõud see on jõud, mis mõjub juhile, mille kaudu vool voolab I magnetväljas
Δ l- juhi pikkus ja suund langeb kokku juhi voolu suunaga.
Amperjõu moodul: 
.
Kaks paralleelset lõpmata pikka sirget juhti vooludega ma 1 ja ma 2 suhelda üksteisega jõuga
kus l- juhtmeosa pikkus, r- juhtmete vaheline kaugus.
28. Paralleelvoolude vastastikmõju – Ampere'i seadus
Nüüd saate hõlpsalt valemi kahe paralleelse voolu vastastikmõju tugevuse arvutamiseks.
Niisiis, läbi kahe pika sirge paralleelse juhtme (joonis 440), mis asuvad üksteisest kaugusel R (mis on palju, 15 korda väiksem kui juhtide pikkused), voolavad alalisvoolud I 1, I 2.
Väljateooria järgi seletatakse juhtide vastasmõju järgmiselt: esimeses juhis olev elektrivool tekitab magnetvälja, mis interakteerub teises juhis oleva elektrivooluga. Esimesele juhile mõjuva jõu tekkimise selgitamiseks on vaja juhtide "rollid ümber pöörata": teine loob välja, mis mõjub esimesele. Pöörake mõtteliselt parempoolset kruvi, keerake seda vasaku käega (või kasutage vektorkorrutist) ja veenduge, et kui voolud voolavad ühes suunas, tõmbuvad juhid endasse ja kui voolud liiguvad vastassuunas, siis juhid tõrjuvad1.
Seega on teise juhi lõigule pikkusega Δl mõjuv jõud amprijõud, see on võrdne
kus B1 on esimese juhi poolt tekitatud magnetvälja induktsioon. Selle valemi kirjutamisel võeti arvesse, et induktsioonivektor B1 on risti teise juhiga. Alalisvoolu tekitatud välja induktsioon esimeses dirigendis teise koha juures on võrdne
Valemitest (1), (2) järeldub, et teise juhi valitud lõigule mõjuv jõud on võrdne
29. Mähis, mille vool on magnetväljas.
Kui asetame magnetvälja mitte juhi, vaid vooluga mähise (või mähise) ja asetame selle vertikaalselt, siis, rakendades vasaku käe reeglit mähise ülemisele ja alumisele küljele, saame, et elektromagnetilised jõud Neid mõjutav F suunatakse eri suundadesse. Nende kahe jõu toimel tekib elektromagnetiline pöördemoment M, mis põhjustab mähise pöörde, antud juhul päripäeva. Sel hetkel
kus D on silmuse külgede vaheline kaugus.
Mähis hakkab pöörlema magnetväljas, kuni see võtab magnetvälja joontega risti asetseva asendi (joonis 50, b). Selles asendis läbib pooli suurim magnetvoog. Järelikult kipub välise magnetvälja sisse viidud vooliga mähis või mähis alati asuma selliselt, et pooli läbib võimalikult suur magnetvoog.
Magnetiline hetk, magnetiline dipoolmoment- põhiline aine magnetilisi omadusi iseloomustav suurus (magnetismi allikaks on klassikalise elektromagnetnähtuste teooria järgi elektrilised makro- ja mikrovoolud; elementaarseks magnetismi allikaks loetakse suletud voolu). Elementaarosakestel, aatomituumadel, aatomite ja molekulide elektroonilistel kestadel on magnetmoment. Elementaarosakeste (elektronid, prootonid, neutronid ja teised) magnetmoment, nagu näitab kvantmehaanika, tuleneb nende endi mehaanilise momendi - spinni - olemasolust.
30. Magnetvoog on füüsikaline suurus, mis on võrdne lõpmata väikese pindala dS läbivate jõujoonte voo tihedusega. Vool F sisse magnetilise induktsioonivektori integraalina V läbi lõpliku pinna S Määratakse integraali kaudu üle pinna.
31. Töötage juhi liigutamisel vooluga magnetväljas
Vaatleme vooluahelat, mille vool on moodustatud fikseeritud juhtmetest ja mööda neid libisevast liigutatavast hüppajast pikkusega l (joonis 2.17). See kontuur asub välises ühtlases magnetväljas, mis on kontuuri tasapinnaga risti.
Praegust elementi I (teisaldatav traat) pikkusega l mõjutab paremale suunatud Ampere jõud:
Lase juhil l liikuda endaga paralleelselt kaugusel dx. Sel juhul tehakse tööd:
dA = Fdx = IBldx = IBdS = IdF
Vooluga juhi tehtud töö liikumisel on arvuliselt võrdne selle juhi läbitava voolu ja magnetvoo korrutisega.
Valem jääb kehtima, kui mis tahes kujuga juht liigub magnetinduktsiooni vektori joonte suhtes mis tahes nurga all.
32. Aine magnetiseerimine ... Püsimagneteid saab valmistada vaid suhteliselt vähestest ainetest, kuid kõik magnetvälja asetatud ained on magnetiseeritud ehk muutuvad ise magnetvälja allikateks. Selle tulemusena erineb magnetilise induktsiooni vektor aine juuresolekul vaakumis magnetinduktsiooni vektorist.
Aatomi magnetmoment koosneb selle koostises olevate elektronide orbitaal- ja sisemomentidest, samuti tuuma magnetmomendist (mis on tingitud tuuma moodustavate elementaarosakeste - prootonite ja neutronite - magnetmomentidest). Tuuma magnetmoment on palju väiksem kui elektronide moment; seetõttu võib paljusid küsimusi käsitledes jätta selle tähelepanuta ja eeldada, et aatomi magnetmoment on võrdne elektronide magnetmomentide vektorsummaga. Molekuli magnetmomenti võib pidada võrdseks ka selle koostisosade elektronide magnetmomentide summaga.
Seega on aatom keeruline magnetsüsteem ja aatomi kui terviku magnetmoment on võrdne kõigi elektronide magnetmomentide vektorsummaga
Magnetid ja nad nimetavad aineid, mida saab magnetiseerida välises magnetväljas, st. võimelised looma oma magnetvälja. Ainete siseväli sõltub nende aatomite magnetilistest omadustest. Selles mõttes on magnetid dielektrikute magnetilised analoogid.
Klassikaliste kontseptsioonide kohaselt koosneb aatom elektronidest, mis liiguvad orbiitidel ümber positiivselt laetud tuuma, mis omakorda koosneb prootonitest ja neutronitest.
Kõik ained on magnetilised, s.t. kõik ained magnetiseeritakse välises magnetväljas, kuid magnetiseerumise olemus ja aste on nende puhul erinev. Sõltuvalt sellest jagunevad kõik magnetid kolme tüüpi: 1) diamagnetid; 2) paramagnetid; 3) ferromagnetid.
Diamagnetika... - nende hulka kuuluvad paljud metallid (näiteks vask, tsink, hõbe, elavhõbe, vismut), enamik gaase, fosfor, väävel, kvarts, vesi, valdav enamus orgaanilisi ühendeid jne.
Diamagneteid iseloomustavad järgmised omadused:
2) sisemine magnetväli on suunatud välise vastu ja nõrgestab seda veidi (m<1);
3) puudub jääkmagnetism (diamagneti enda magnetväli kaob pärast välise välja eemaldamist).
Esimesed kaks omadust näitavad, et diamagnetite suhteline magnetiline läbilaskvus m on vaid veidi väiksem kui 1. Näiteks diamagnetitest tugevaima, vismuti, m = 0,999824.
Paramagnetid- nende hulka kuuluvad leelis- ja leelismuldmetallid, alumiinium, volfram, plaatina, hapnik jne.
Paramagneteid iseloomustavad järgmised omadused:
1) väga nõrk magnetiseerumine välises magnetväljas;
2) sisemine magnetväli on suunatud piki välist ja suurendab seda veidi (m> 1);
3) jääkmagnetism puudub.
Kahest esimesest omadusest järeldub, et m väärtus on vaid veidi suurem kui 1. Näiteks ühe tugevaima paramagneti, plaatina puhul on suhteline magnetiline läbilaskvus m = 1,00036.
33.Ferromagnetid - nende hulka kuuluvad raud, nikkel, koobalt, gadoliinium, nende sulamid ja ühendid, samuti mõned mangaani ja kroomi sulamid ja ühendid mitteferromagnetiliste elementidega. Kõigil neil ainetel on ferromagnetilised omadused ainult kristalses olekus.
Ferromagneteid iseloomustavad järgmised omadused:
1) väga tugev magnetiseerimine;
2) sisemine magnetväli on suunatud piki välist ja suurendab seda oluliselt (m väärtused ulatuvad mitmesajast kuni mitmesaja tuhandeni);
3) suhteline magnetiline läbitavus m sõltub magnetiseeriva välja suurusest;
4) esineb jääkmagnetism.
Domeen- makroskoopiline piirkond magnetkristallis, kus spontaanse homogeense magnetiseerimise vektori või antiferromagnetismi vektori orientatsioon (vastavalt Curie või Neeli punktist madalamal temperatuuril) on pööratud või nihutatud kindlal viisil. , see tähendab polariseeritud, naaberdomeenide vastava vektori suundade suhtes.
Domeenid on moodustised, mis koosnevad tohutul hulgal [korrastatud] aatomitest ja on mõnikord palja silmaga nähtavad (suurused 10–2 cm3).
Domeenid eksisteerivad ferro- ja antiferromagnetilistes, ferroelektrilistes kristallides ja muudes spontaanse pikamaa järjestusega ainetes.
Curie punkt ehk Curie temperatuur,- teist järku faasisiirde temperatuur, mis on seotud aine sümmeetria omaduste järsu muutumisega (näiteks magnetiline - ferromagnetites, elektriline - ferroelektrilistes, kristall-keemilistes - järjestatud sulamites). Nime saanud P. Curie järgi. Temperatuuril T, mis on allpool Curie punkti Q, on ferromagnetitel spontaanne (iseeneslik) magnetiseerumine ja teatud magnetiliste kristallide sümmeetria. Curie punktis (T = Q) on ferromagneti aatomite soojusliikumise intensiivsus piisav, et hävitada selle spontaanset magnetiseerumist ("magnetilist järjestust") ja muuta sümmeetriat, mille tulemusena muutub ferromagnet paramagnetiks. Samamoodi hävib antiferromagnetites T = Q (nn antiferromagnetilises Curie punktis või Néeli punktis) neile iseloomulik magnetstruktuur (magnetilised alamvõred) ja antiferromagnetid muutuvad paramagnetiteks. Ferroelektrilistes ja antiferroelektrikutes T = Q juures nullib aatomite soojusliikumine kristallvõre ühikelementide elektridipoolide spontaanse järjestatud orientatsiooni. Korrastatud sulamites Curie punktis (sulamite puhul nimetatakse seda ka punktiks.
Magnethüsterees täheldatakse magnetiliselt järjestatud ainetes (teatud temperatuurivahemikus), näiteks ferromagnetites, mis on tavaliselt jagatud spontaanse (spontaanse) magnetiseerumise piirkonna domeenideks, milles magnetiseerumise suurus (magnetmoment ruumalaühiku kohta) on sama , kuid suunad on erinevad.
Välise magnetvälja mõjul suureneb piki välja magnetiseeritud domeenide arv ja suurused teiste domeenide mõjul. Üksikute domeenide magnetiseerimisvektorid võivad mööda välja pöörata. Piisavalt tugevas magnetväljas magnetiseeritakse ferromagnet küllastuseni, samas kui see koosneb ühest domeenist, mille küllastusmagnetiseering JS on suunatud mööda välisvälja H.
Tüüpiline magnetiseerimise sõltuvus magnetväljast hüstereesi korral
34. Maa magnetväli
Teatavasti nimetatakse magnetväljaks eriliiki jõuvälja, mis avaldab mõju magnetiliste omadustega kehadele, aga ka liikuvatele elektrilaengutele. Magnetvälja võib teatud määral pidada eriliseks aineks, mis edastab teavet elektrilaengute ja magnetmomendiga kehade vahel. Sellest lähtuvalt on Maa magnetväli selline magnetväli, mille loovad meie planeedi funktsionaalsete omadustega seotud tegurid. See tähendab, et geomagnetvälja loob Maa ise, mitte välised allikad, kuigi viimastel on planeedi magnetväljale teatud mõju.
Seega sõltuvad Maa magnetvälja omadused paratamatult selle päritolu omadustest. Peamine teooria, mis selgitab selle jõuvälja tekkimist, on seotud voolude vooluga planeedi vedelas metallisüdamikus (temperatuur südamikus on nii kõrge, et metallid on vedelas olekus). Maa magnetvälja energia genereeritakse niinimetatud hüdromagnetilise dünamo mehhanismi abil, mis on tingitud elektrivoolude mitmesuunalisusest ja asümmeetriast. Need tekitavad elektrilahenduste suurenemist, mis toob kaasa soojusenergia vabanemise ja uute magnetväljade tekkimise. On uudishimulik, et hüdromagnetdünamo mehhanismil on võime "iseergutada", see tähendab, et aktiivne elektriline aktiivsus Maa tuuma sees tekitab pidevalt geomagnetvälja ilma välise mõjuta.
35.Magnetiseerimine - makroskoopilise füüsilise keha magnetilist olekut iseloomustav vektorfüüsikaline suurus. Tavaliselt tähistatakse seda M. Seda määratletakse kui aine mahuühiku magnetmomenti:
Siin on M magnetiseerimisvektor; on magnetmomendi vektor; V - maht.
Üldjuhul (ebahomogeense keskkonna puhul, ühel või teisel põhjusel) väljendatakse magnetiseerumist
ja on koordinaatide funktsioon. Kus on molekulide kogumagnetmoment ruumalas dV Diamagnetilistes ja paramagnetilistes materjalides on M ja magnetvälja tugevuse H suhe tavaliselt lineaarne (vähemalt mitte liiga kõrgete magnetvälja väärtuste korral):
kus χm nimetatakse magnetiliseks vastuvõtlikkuseks. Ferromagnetilistes materjalides puudub magnethüstereesi tõttu M ja H vahel ühemõtteline seos ning sõltuvuse kirjeldamiseks kasutatakse magnetilise vastuvõtlikkuse tensorit.
Magnetvälja tugevus(standardtähis H) on vektori füüsikaline suurus, mis võrdub magnetilise induktsiooni vektori B ja magnetiseerimisvektori M vahega.
Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI): H = (1 / µ 0) B - M, kus µ 0 on magnetkonstant.
Magnetiline läbilaskvus- füüsikaline suurus, koefitsient (olenevalt keskkonna omadustest), mis iseloomustab magnetinduktsiooni B ja magnetvälja tugevuse H seost aines. Erinevate kandjate puhul on see koefitsient erinev, seetõttu räägitakse konkreetse kandja magnetilisest läbilaskvusest (see tähendab selle koostist, olekut, temperatuuri jne).
Tavaliselt tähistatakse kreeka tähega µ. See võib olla nii skalaar (isotroopsete ainete puhul) kui ka tensor (anisotroopsete ainete puhul).
Üldiselt on seos magnetilise induktsiooni ja magnetvälja tugevuse suhe magnetilise läbilaskvuse kaudu
ja üldjuhul tuleks seda siin mõista tensorina, millele komponendi tähistuses vastab
Vaatleme olukorda: laeng q 0 langeb elektrostaatilisse välja. Selle elektrostaatilise välja tekitab ka mõni laetud keha või kehade süsteem, kuid see meid ei huvita. Laengule q 0 mõjub välja pool jõud, mis suudab tööd teha ja seda laengut väljas liigutada.
Elektrostaatilise välja töö ei sõltu trajektoorist. Välja töö, kui laeng liigub mööda suletud rada, on null. Sel põhjusel nimetatakse elektrostaatilise välja jõudu konservatiivne, ja väli ise on nn potentsiaal.
Potentsiaal
Süsteemil "laeng - elektrostaatiline väli" või "laeng - laeng" on potentsiaalne energia, nii nagu "gravitatsiooniväli - keha" süsteemil on potentsiaalne energia.
Välja energiaseisundit iseloomustavat füüsikalist skalaarsuurust nimetatakse potentsiaal antud välja punkt. Väljale asetatakse laeng q, sellel on potentsiaalne energia W. Potentsiaal on elektrostaatilise välja tunnus.
Meenutagem potentsiaalset energiat mehaanikas. Potentsiaalne energia on null, kui keha on maapinnal. Ja kui keha tõstetakse teatud kõrgusele, siis öeldakse, et kehal on potentsiaalne energia.
Elektrienergia potentsiaalse energia osas puudub potentsiaalne energia nulltase. See valitakse meelevaldselt. Seetõttu on potentsiaal suhteline füüsikaline suurus.
Mehaanikas kipuvad kehad hõivama madalaima potentsiaalse energiaga positsiooni. Elektris kipub väljajõudude toimel positiivselt laetud keha liikuma suurema potentsiaaliga punktist madalama potentsiaaliga punkti ja negatiivselt laetud keha - vastupidi.
Välja potentsiaalne energia on töö, mida elektrostaatiline jõud teeb, kui laeng liigub välja antud punktist nullpotentsiaaliga punkti.
Vaatleme erijuhtumit, kui elektrostaatiline väli tekib elektrilaenguga Q. Sellise välja potentsiaali uurimiseks ei ole vaja sinna sisestada laengut q. Saate arvutada sellise välja mis tahes punkti potentsiaali, mis asub kaugusel r laengust Q.
Söötme dielektriline konstant on teadaoleva väärtusega (tabelikujuline), iseloomustab keskkonda, milles väli eksisteerib. Õhu puhul on see võrdne ühega.
Potentsiaalne erinevus
Välitööd laengu liigutamiseks ühest punktist teise nimetatakse potentsiaalseks erinevuseks
Seda valemit saab esitada erineval kujul
Potentsiaalne pind (joon)- võrdse potentsiaaliga pind. Laengu liigutamise töö piki potentsiaaliühtlustuspinda on null.
Pinge
Potentsiaalide erinevust nimetatakse ka elektriline pinge eeldusel, et välised jõud ei tööta või nende tegevust võib hooletusse jätta.
Pinge kahe ühtlase elektrivälja punkti vahel, mis paiknevad piki ühte intensiivsusjoont, on võrdne väljatugevuse vektori mooduli korrutisega nende punktide vahelise kaugusega.
Voolu voolutugevus vooluringis ja laetud osakese energia sõltuvad pinge suurusest.
Superpositsiooni põhimõte
Mitme laenguga tekitatud välja potentsiaal võrdub iga välja väljade potentsiaalide algebralise (potentsiaalimärki arvestades) summaga eraldi.
Probleemide lahendamisel tekib palju segadust potentsiaali, potentsiaali erinevuse, töö märgi määramisel.
Joonisel on näidatud pingejooned. Millises valdkonnas on potentsiaal suurem?
Õige vastus on punkt 1. Tuletage meelde, et pingejooned algavad positiivsest laengust, mis tähendab, et positiivne laeng on vasakul, seega kõige vasakpoolsem punkt on maksimaalse potentsiaaliga.
Kui on uuritud välja, mis tekib negatiivse laenguga, siis laengu lähedal oleva välja potentsiaal on negatiivse väärtusega, seda on lihtne kontrollida, kui valemisse asendada miinusmärgiga laeng. Mida kaugemal negatiivsest laengust, seda suurem on välja potentsiaal.
Kui toimub positiivse laengu liikumine mööda pingejooni, siis on potentsiaalne erinevus ja töö positiivsed. Kui negatiivne laeng liigub mööda pingejooni, siis on potentsiaalide erinevusel "+" märk, teosel "-" märk.
Juhtivuselektronid ei lahku metallist spontaanselt märgatavas koguses. Seda seetõttu, et metall on nende jaoks potentsiaalne süvend. Metallist saavad lahkuda vaid need elektronid, mille energiast piisab pinnal oleva potentsiaalse barjääri ületamiseks. Seda barjääri põhjustavad jõud on järgmise päritoluga. Elektroni juhuslik eemaldamine võre positiivsete ioonide väliskihist põhjustab liigse positiivse laengu ilmnemist kohta, kust elektron lahkus.
Coulombi interaktsioon selle laenguga paneb elektroni, mille kiirus pole kuigi suur, tagasi pöörduma. Seega lahkuvad üksikud elektronid metallpinnalt kogu aeg, eemalduvad sellest mitme aatomitevahelise kauguse võrra ja pöörduvad seejärel tagasi. Selle tulemusena ümbritseb metalli õhuke elektronide pilv. See pilv koos ioonide väliskihiga moodustab kahekordse elektrikihi (joonis 60.1; ringid - ioonid, mustad täpid - elektronid). Sellises kihis elektronile mõjuvad jõud on suunatud metalli sisemuse poole.
Nende jõudude vastu tehtav töö, kui elektron viiakse metallist väljapoole, on vajalik elektroni potentsiaalse energia suurendamiseks
Seega on valentselektronide potentsiaalne energia metalli sees väiksem kui väljaspool metalli, summa võrra, mis võrdub potentsiaalse süvendi sügavusega (joon. 60.2). Energiamuutus toimub mitme aatomitevahelise vahemaa pikkuse ulatuses, seetõttu võib kaevu seinu pidada vertikaalseks.
Elektroni potentsiaalne energia ja elektroni asukohapunkti potentsiaal on vastupidise märgiga. Sellest järeldub, et metalli sees olev potentsiaal on väärtuse järgi suurem kui potentsiaal selle pinna vahetus läheduses (lühiduse huvides räägime lihtsalt "pinnal").
Metalli liigne positiivne laeng suurendab potentsiaali nii metalli pinnal kui ka selle sees. Vastavalt väheneb elektroni potentsiaalne energia (joon. 60.3, a).
Tuletame meelde, et võrdluspunktiks võetakse potentsiaalse ja potentsiaalse energia väärtused lõpmatuses. Negatiivse laengu kommunikatsioon alandab potentsiaali metalli sees ja väljaspool. Vastavalt sellele suureneb elektroni potentsiaalne energia (joon. 60.3, b).
Elektroni koguenergia metallis koosneb potentsiaalsest ja kineetilisest energiast. Paragrahvis 51 leiti, et absoluutses nullis on juhtivuselektronide kineetilise energia väärtused vahemikus nullist kuni energiani Emax, mis langeb kokku Fermi tasemega. Joonisel fig. 60.4 juhtivusriba energiatasemed on kantud potentsiaalikaevu (katkendjoon näitab tasemeid, mis ei ole hõivatud). Metallist väljastpoolt eemaldamiseks tuleb erinevatele elektronidele anda erinev energia.
Niisiis, juhtivusriba madalaimal tasemel asuvale elektronile tuleb anda energiat Fermi tasemel asuva elektroni jaoks, energiast piisab
Väiksemat energiat, mis elektronile tuleb anda, et see tahkest või vedelast kehast vaakumisse viia, nimetatakse tööfunktsiooniks. Tööfunktsiooni tähistatakse tavaliselt selle kaudu, kus Ф on suurus, mida nimetatakse väljundpotentsiaaliks.
Vastavalt ülaltoodule määratakse metallist pärit elektroni tööfunktsioon avaldisega
Selle avaldise saime eeldusel, et metalli temperatuur on 0 K. Teistel temperatuuridel on tööfunktsioon defineeritud ka kui potentsiaalikaevu sügavuse ja Fermi taseme erinevus, st definitsioon (60.1) on pikendada mis tahes temperatuurini. Sama määratlus kehtib ka pooljuhtide kohta.
Fermi tase sõltub temperatuurist (vt valem (52.10)). Lisaks muutub aatomite vahelise keskmise kauguse soojuspaisumise muutumise tõttu potentsiaalse kaevu sügavus veidi. See toob kaasa asjaolu, et tööfunktsioon sõltub pisut temperatuurist.
Tööfunktsioon on väga tundlik metallpinna seisukorra, eriti selle puhtuse suhtes. Pinnakatte õigesti valides saab tööfunktsiooni oluliselt vähendada. Näiteks leelismuldmetallioksiidi (Ca, Sr, Ba) kihi sadestumine volframpinnale vähendab tööfunktsiooni 4,5 eV-lt (puhta W puhul) 1,5-2-ni.
§ 104. Metallist elektronide tööfunktsioon
Kogemused näitavad, et vabad elektronid tavatemperatuuril metallist praktiliselt ei lahku. Järelikult peab metalli pinnakihis olema aeglustav elektriväli, mis takistab elektronide vabanemist metallist ümbritsevasse vaakumisse. Tööd, mis tuleb kulutada elektroni eemaldamiseks metallist vaakumisse, nimetatakse töölt väljapääs... Märgime kaks väljumistöö ilmumise tõenäolist põhjust:
1. Kui elektron on metallist mingil põhjusel eemaldatud, siis selles kohas, kust elektron lahkus, tekib üleliigne positiivne laeng ja elektron tõmbab endaga indutseeritud positiivse laengu külge.
2. Üksikud elektronid, lahkudes metallist, eemalduvad sellest aatomi suurusjärgus vahemaadel ja loovad seega metallipinna kohale "elektronipilve", mille tihedus kauguse kasvades kiiresti väheneb. See pilv moodustub koos võre positiivsete ioonide väliskihiga kahekordne elektriline kiht, mille väli on sarnane lamekondensaatori väljaga. Selle kihi paksus on võrdne mitme aatomitevahelise kaugusega (10–10–10–9 m). See ei tekita välisruumis elektrivälja, vaid takistab vabade elektronide väljapääsu metallist.
Seega, kui elektron metallist välja pääseb, peab see ületama seda kinni hoidva kahekihilise elektrivälja. Potentsiaalne erinevus selles kihis nn pinnapotentsiaali hüpe, määrab tööfunktsioon ( A) elektron metallist:
kus e - elektronide laeng. Kuna väljaspool kaksikkihti elektrivälja ei ole, on keskkonna potentsiaal null ja metalli sees on positiivne ja võrdne ... Vaba elektroni potentsiaalne energia metalli sees on e ja on vaakumi suhtes negatiivne. Selle põhjal võime eeldada, et kogu juhtivuselektronide jaoks mõeldud metalli maht on lameda põhjaga potentsiaalikaev, mille sügavus on võrdne tööfunktsiooniga A.
Tööfunktsiooni väljendatakse elektronvoldid(eV): 1 eV võrdub väljajõudude tööga elementaarelektri laengu (elektroni laenguga võrdne laeng) liigutamisel, kui see läbib potentsiaalide erinevust 1 V. Kuna elektroni laeng on 1,6 10 -19 C, siis 1 eV = 1,610 -19 J.
Tööfunktsioon sõltub metallide keemilisest olemusest ja nende pinna puhtusest ning kõigub mitme elektronvoldi piires (näiteks kaaliumi puhul A= 2,2 eV, plaatina jaoks A= 6,3 eV). Valides pinnakatte teatud viisil, saab tööfunktsiooni oluliselt vähendada. Näiteks kui kasutate volframi pinnale (A= 4,5eV) leelismuldmetalli oksiidikiht (Ca, Sr, Ba), siis tööfunktsioon väheneb 2 eV-ni.
§ 105. Emissiooninähtused ja nende rakendamine
Kui metallides olevatele elektronidele antakse tööfunktsiooni ületamiseks vajalik energia, siis võib osa elektronidest metallist lahkuda, mille tulemusena täheldatakse elektronide emissiooni nähtust või elektrooniline emissioon... Sõltuvalt energia elektronidele edastamise meetodist eristatakse termioonilist, fotoelektroonilist, sekundaarset elektroonilist ja väljaemissiooni.
1. Termoemissioon on kuumutatud metallide elektronide emissioon. Vabade elektronide kontsentratsioon metallides on üsna kõrge, seetõttu on isegi keskmistel temperatuuridel elektronide jaotumise tõttu kiiruste (energiate) järgi mõnel elektronil piisav energia, et ületada potentsiaalbarjäär metalli piiril. Temperatuuri tõustes suureneb elektronide arv, mille soojusliikumise kineetiline energia on tööfunktsioonist suurem ja märgatavaks muutub termoemissiooni nähtus.
Termoemissiooni seaduste uurimist saab läbi viia kõige lihtsama kaheelektroodilise lambi abil - vaakumdiood, mis on evakueeritud õhupall, mis sisaldab kahte elektroodi: katood K ja anood A. Lihtsamal juhul toimib katoodina tulekindlast metallist (näiteks volframist) valmistatud hõõgniit, mida kuumutatakse elektrivooluga. Anood on enamasti metallist silindri kujul, mis ümbritseb katoodi. Kui diood on lülitusse lülitatud, nagu on näidatud joonisel fig. 152, siis kui katood kuumutatakse ja anoodile rakendatakse positiivset pinget (katoodi suhtes), tekib dioodi anoodiahelas vool. Kui muudate aku polaarsust B a, siis vool peatub, olenemata sellest, kui tugevalt katoodi kuumutatakse. Järelikult kiirgab katood negatiivseid osakesi – elektrone.
Kui kuumutatava katoodi temperatuur hoitakse konstantsena ja anoodivoolu sõltuvus eemaldatakse I ja anoodpingest U a,- voolu-pinge tunnusjoon(joon. 153), siis selgub, et see ei ole lineaarne, st vaakumdioodi puhul ei ole Ohmi seadus täidetud. Termionilise voolu sõltuvus I anoodi pingele väikeste positiivsete väärtuste piirkonnas U kirjeldatud kolme sekundi seadus(asutanud vene füüsik S. A. Boguslavsky (1883-1923) ja Ameerika füüsik I. Langmuir (1881-1957)):
kus V- koefitsient sõltuvalt elektroodide kujust ja suurusest, samuti nende suhtelisest asendist.
Anoodi pinge suurenemisega suureneb vool teatud maksimumväärtuseni I me helistasime küllastusvool... See tähendab, et peaaegu kõik katoodilt lahkuvad elektronid jõuavad anoodile, mistõttu väljatugevuse edasine suurenemine ei saa kaasa tuua termovoolu suurenemist. Järelikult iseloomustab küllastusvoolu tihedus katoodi materjali kiirgusvõimet.
Määratakse küllastusvoolu tihedus Richardson-Deshmani valemi järgi, järeldati teoreetiliselt kvantstatistika põhjal:
kus A - elektronide tööfunktsioon katoodilt, T - termodünaamiline temperatuur, KOOS- kõigi metallide pidev, teoreetiliselt sama lüpsmine (seda ei kinnita katse, mis ilmselt on seletatav pinnamõjudega). Tööfunktsiooni vähenemine toob kaasa küllastusvoolu tiheduse järsu suurenemise. Seetõttu kasutatakse oksiidkatoode (näiteks leelismuldmetalli oksiidiga kaetud niklit), mille tööfunktsioon on 1-1,5 eV.
Joonisel fig. 153 näitab voolu-pinge karakteristikuid kahe katoodi temperatuuri jaoks: T 1 ja T 2 ja T 2 > T. 1 ... KOOS Katoodi temperatuuri tõusuga on elektronide emissioon katoodist intensiivsem, samas suureneb ka küllastusvool. Kell U Täheldatakse a = 0 anoodivoolu, st mõnel katoodi poolt emiteeritud elektronil on piisavalt energiat, et ületada tööfunktsioon ja jõuda anoodini ilma elektrivälja rakendamata.
Termoemissiooni fenomeni kasutatakse seadmetes, milles on vaja saada elektronide voogu vaakumis, näiteks elektroonikalampides, röntgentorudes, elektronmikroskoobides jne. Elektroonikalampe kasutatakse laialdaselt elektri- ja raadioseadmetes. insener, automaatika ja telemehaanika vahelduvvoolu alaldamiseks, elektrisignaalide ja vahelduvvoolu võimendamiseks, elektromagnetiliste võnkumiste tekitamiseks jne. Olenevalt otstarbest kasutatakse lampides täiendavaid juhtelektroode.
2. Fotoelektronide emissioon- See on elektronide emissioon metallist valguse mõjul, samuti lühilaineline elektromagnetkiirgus (näiteks röntgenikiirgus). Fotoelektrilise efekti käsitlemisel analüüsitakse selle nähtuse peamisi seaduspärasusi.
3. Sekundaarne elektronide emissioon- See on elektronide emissioon metallide, pooljuhtide või dielektrikute pinnalt, kui neid pommitatakse elektronkiirega. Sekundaarne elektronvoog koosneb pinnalt peegelduvatest elektronidest (elastselt ja mitteelastselt peegeldunud elektronidest) ja "tõeliselt" sekundaarsetest elektronidest – primaarelektronide poolt metallist, pooljuhist või dielektrikust välja löödud elektronidest.
Sekundaarsete elektronide arvu suhe n 2 esmane n 1 , mis põhjustas emissiooni nimetatakse sekundaarne elektronide emissioonitegur:
Koefitsient sõltub pinnamaterjali iseloomust, pommitavate osakeste energiast ja nende langemisnurgast pinnale. Pooljuhtide ja dielektrikute jaoks rohkem kui metallid. See on tingitud asjaolust, et metallides, kus juhtivuselektronide kontsentratsioon on kõrge, kaotavad sekundaarsed elektronid nendega sageli kokku põrkes oma energia ega saa metallist lahkuda. Pooljuhtides ja dielektrikutes toimub juhtivate elektronide madala kontsentratsiooni tõttu sekundaarsete elektronide kokkupõrkeid nendega palju harvemini ja sekundaarsete elektronide emitterist väljumise tõenäosus suureneb mitu korda.
Näiteks joonisel fig. 154 näitab sekundaarse elektronemissiooni koefitsiendi kvalitatiivset sõltuvust energiast E langevad elektronid KCl jaoks. Elektronide energia suurenemisega suureneb, kuna primaarsed elektronid tungivad üha sügavamale kristallvõresse ja löövad seetõttu välja rohkem sekundaarseid elektrone. Küll aga teatud primaarelektronide energia juures hakkab vähenema. See on tingitud asjaolust, et primaarsete elektronide läbitungimissügavuse suurenemisega on sekundaarsel üha raskem pinnale pääseda. Tähendus max KCl puhul jõuab 12 (puhaste metallide puhul ei ületa 2).
Sekundaarse elektronemissiooni nähtust kasutatakse aastal fotokordisti torud(PMT), mida kasutatakse nõrkade elektrivoolude võimendamiseks. Fotokordistiks on vaakumtoru fotokatoodiga K ja anoodiga A, mille vahel on mitu elektroodi - emitterid(joon. 155). Valguse toimel fotokatoodist välja rebitud elektronid langevad kiirgurile E 1, läbides K ja E 1 vahelise kiirenduspotentsiaalide erinevuse. Emiterist E 1 koputatakse välja elektronid. Sel viisil võimendatud elektronvoog suunatakse emitterile E 2 ja korrutusprotsess kordub kõigil järgnevatel emitteritel. Kui PMT sisaldab n emitterid, siis anoodil A, nn kollektsionäär, selgub, et see on tugevdatud n korda fotoelektroni voolust.
4. Autoelektrooniline emissioon- See on elektronide emissioon metallide pinnalt tugeva välise elektrivälja mõjul. Neid nähtusi saab jälgida tühjendatud torus, mille elektroodide konfiguratsioon (katood - ots, anood - toru sisepind) võimaldab umbes 10 3 V pingel saada umbes 10 7 V elektrivälju / m. Pinge järkjärgulise suurenemisega, isegi väljatugevuse korral katoodi pinnal umbes 10 5–10 6 V / m, tekib katoodi kiirgavate elektronide tõttu nõrk vool. Selle voolu tugevus suureneb toru pinge suurenedes. Külmal katoodil tekivad voolud, seetõttu nimetatakse kirjeldatud nähtust ka nn külma emissiooni. Selle nähtuse mehhanismi selgitamine on võimalik ainult kvantteooria põhjal.
