Formula pentru funcția de lucru a electronilor
Metalele conțin electroni de conducție care formează gazul de electroni și participă la mișcarea termică. Deoarece electronii de conducție sunt ținuți în interiorul metalului, prin urmare, lângă suprafață există forțe care acționează asupra electronilor și sunt direcționate în metal. Pentru ca un electron să lase metalul dincolo de limitele sale, trebuie făcută o anumită cantitate de muncă A împotriva acestor forțe, care se numește funcția de lucru a electronilor din metal. Această lucrare, desigur, este diferită pentru diferite metale.
Energia potențială a unui electron în interiorul unui metal este constantă și egală cu:
W p = -eφ , unde j este potențialul câmpului electric din interiorul metalului.
Când un electron trece prin stratul de electroni de suprafață, energia potențială scade rapid prin funcția de lucru și devine zero în afara metalului. Distribuția energiei electronilor în interiorul unui metal poate fi reprezentată ca un put de potențial.
În interpretarea discutată mai sus, funcția de lucru a electronilor este egală cu adâncimea puțului de potențial, i.e.
Aout = eφ
Acest rezultat este în concordanță cu teoria clasică a electronilor a metalelor, care presupune că viteza electronilor într-un metal respectă legea de distribuție a lui Maxwell și este zero la temperatura zero absolut. Cu toate acestea, în realitate, electronii de conducție se supun statisticilor cuantice Fermi-Dirac, conform cărora la zero absolut viteza electronilor și, în consecință, energia lor sunt diferite de zero.
Valoarea maximă a energiei pe care o au electronii la zero absolut se numește energia Fermi E F . Teoria cuantică a conductivității metalelor, bazată pe aceste statistici, oferă o interpretare diferită a funcției de lucru. Funcția de lucru a electronilor dintr-un metal este egală cu diferența dintre înălțimea barierei de potențial eφ și energia Fermi.
A out = eφ" - E F
unde φ" este valoarea medie a potențialului câmpului electric din interiorul metalului.
Tabelul funcției de lucru a electronilor din substanțe simple
Tabelul prezintă valorile funcției de lucru a electronilor pentru probele policristaline, a căror suprafață este curățată în vid prin calcinare sau tratament mecanic. Datele insuficient de fiabile sunt incluse între paranteze.
|
Substanţă |
Formula substanței |
Funcția de lucru a electronilor (W, eV) |
|
aluminiu |
||
|
beriliu |
||
|
carbon (grafit) |
||
|
germaniu |
||
|
mangan |
||
|
molibden |
||
|
paladiu |
||
|
praseodimiu |
||
|
staniu (forma y) |
||
|
staniu (forma β) |
||
|
stronţiu |
||
|
tungsten |
||
|
zirconiu |
Metalele conțin electroni de conducere care formează un gaz de electroni și participă la mișcarea termică. Deoarece electronii de conducție sunt ținuți în interiorul metalului, prin urmare, lângă suprafață există forțe care acționează asupra electronilor și sunt direcționate în metal. Pentru ca un electron să părăsească metalul dincolo de limitele sale, trebuie făcută o anumită cantitate de muncă A împotriva acestor forțe, care se numește munca de părăsire a electronului din metal. Această lucrare, desigur, este diferită pentru diferite metale.
Energia potențială a unui electron în interiorul unui metal este constantă și egală cu:
Wp = -eφ, unde j este potențialul câmpului electric din interiorul metalului.
21. Diferența de potențial de contact - aceasta este diferența de potențial dintre conductori care apare atunci când doi conductori diferiți care au aceeași temperatură intră în contact.
Când doi conductori cu funcții de lucru diferite intră în contact, pe conductori apar sarcini electrice. Și apare o diferență potențială între scopurile lor libere. Diferența de potențial dintre punctele din afara conductorilor, lângă suprafața acestora, se numește diferența de potențial de contact. Deoarece conductoarele sunt la aceeași temperatură, în absența unei tensiuni aplicate câmpul poate exista doar în straturile limită (regula lui Volta). Există o diferență de potențial internă (când metalele intră în contact) și una externă (într-un gol). Valoarea diferenței de potențial de contact extern este egală cu diferența în funcțiile de lucru legate de sarcina electronului. Dacă conductoarele sunt conectate într-un inel, atunci EMF din inel va fi egal cu 0. Pentru diferite perechi de metale, valoarea diferenței de potențial de contact variază de la zecimi de volți la unități de volți.
Funcționarea unui generator termoelectric se bazează pe utilizarea efectului termoelectric, a cărui esență este că atunci când joncțiunea (joncțiunea) a două metale diferite este încălzită, apare o diferență de potențial între capetele lor libere, care au o temperatură mai scăzută, sau așa-zisa forță termoelectromotoare (termo-EMF). Dacă închideți un astfel de termoelement (termocuplu) la o rezistență externă, atunci un curent electric va curge prin circuit (Fig. 1). Astfel, în timpul fenomenelor termoelectrice, are loc o conversie directă a energiei termice în energie electrică.
Mărimea forței termoelectromotoare este determinată aproximativ de formula E = a(T1 – T2)
22. Câmp magnetic - un câmp de forță care acționează asupra sarcinilor electrice în mișcare și asupra corpurilor cu moment magnetic, indiferent de starea mișcării acestora; componenta magnetica a campului electromagnetic
Încărcare în mișcare q, creează un câmp magnetic în jurul său, a cărui inducție
unde este viteza electronului, este distanța de la electron la un anumit punct de câmp, μ – permeabilitatea magnetică relativă a mediului, μ 0 = 4π ·10 -7 Gn/m– constantă magnetică.
Inductie magnetica- o mărime vectorială care este o forță caracteristică câmpului magnetic (acțiunea acestuia asupra particulelor încărcate) într-un punct dat din spațiu. Determină forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unei sarcini care se mișcă cu viteză.
Mai precis, acesta este un vector astfel încât forța Lorentz care acționează din câmpul magnetic asupra unei sarcini care se mișcă cu viteza este egală cu
23. Conform legii Biot-Savart-Laplace element de contur dl, prin care curge curentul eu, creează un câmp magnetic în jurul său, a cărui inducție la un anumit punct K
unde este distanța de la punct K la elementul curent dl, α – unghiul dintre vectorul rază și elementul curent dl.
Direcția vectorului poate fi găsită prin regula lui Maxwell(girlet): dacă înșurubați un gimlet cu filet la dreapta în direcția curentului în elementul conductor, atunci direcția de mișcare a mânerului gimlet va indica direcția vectorului de inducție magnetică.
Aplicând legea Biot-Savart-Laplace la contururi de diferite tipuri, obținem:
· în centrul unei viraj circulare de rază R cu puterea curentă eu inducție magnetică
inducția magnetică pe axa curentului circular 
Unde o– distanța de la punctul în care se caută B la planul curentului circular,
· un câmp creat de un conductor care poartă curent infinit de lung la distanță r de la dirijor
· câmp creat de un conductor de lungime finită la distanță r de la conductor (Fig. 15) 
· câmp în interiorul unui toroid sau solenoid infinit lung n– numărul de spire pe unitatea de lungime a solenoidului (toroidului)
Vectorul de inducție magnetică este legat de intensitatea câmpului magnetic prin relație
Densitatea energiei volumetrice câmp magnetic:
25 .Pe o particulă încărcată care se mișcă într-un câmp magnetic cu inducție Bîn viteză υ , din câmpul magnetic există o forță numită forța Lorentz
iar modulul acestei forţe este egal cu 
.
Direcția forței Lorentz poate fi determinată de regula mana stanga: dacă plasați mâna stângă astfel încât componenta vectorului de inducție perpendicular pe viteza să intre în palmă, iar cele patru degete sunt situate în direcția vitezei de mișcare a sarcinii pozitive (sau împotriva direcției vitezei de sarcina negativă), atunci degetul mare îndoit va indica direcția forței Lorentz
26 .Principiul de funcționare al acceleratorilor de particule cu încărcare ciclică.
Independența perioadei de rotație T a unei particule încărcate într-un câmp magnetic a fost folosită de omul de știință american Lawrence în ideea unui ciclotron - un accelerator de particule încărcate.
Ciclotron este format din doi dees D 1 si D 2 - semicilindri metalici goali plasati in vid inalt. Un câmp electric accelerat este creat în decalajul dintre dee. O particulă încărcată care intră în acest spațiu își mărește viteza și zboară în spațiul semicilindrului (dee). Dee-urile sunt plasate într-un câmp magnetic constant, iar traiectoria particulei în interiorul dee-urilor va fi curbată într-un cerc. Când particula intră pentru a doua oară în golul dintre dee, polaritatea câmpului electric se schimbă și devine din nou accelerată. O creștere a vitezei este însoțită de o creștere a razei traiectoriei. În practică, la dee se aplică un câmp alternant cu o frecvență ν= 1/T=(B/2π)(q/m). Viteza particulei crește de fiecare dată în intervalul dintre deele sub influența câmpului electric.
27.Putere amperi este forța care acționează asupra unui conductor prin care trece curentul eu, situat într-un câmp magnetic
Δ l– lungimea conductorului și direcția coincide cu direcția curentului în conductor.
Modul de putere amperi: 
.
Două conductoare drepte paralele infinit lungi care transportă curenți eu 1Şi eu 2 interacționează între ele cu forță
Unde l- lungimea secțiunii conductorului, r- distanta dintre conductori.
28. Interacțiunea curenților paraleli - legea lui Ampere
Acum puteți obține cu ușurință o formulă pentru calcularea forței de interacțiune între doi curenți paraleli.
Deci, prin două conductoare lungi și drepte paralele (Fig. 440), situate la distanța R unul de celălalt (care este de multe, de 15 ori mai mică decât lungimile conductoarelor), curg curenți continui I 1, I 2.
Conform teoriei câmpului, interacțiunea conductorilor se explică astfel: un curent electric în primul conductor creează un câmp magnetic care interacționează cu un curent electric în al doilea conductor. Pentru a explica apariția unei forțe care acționează asupra primului conductor, este necesară „schimbarea rolurilor” conductoarelor: al doilea creează un câmp care acționează asupra primului. Rotiți mental șurubul din dreapta, rotiți cu mâna stângă (sau folosiți produsul în cruce) și asigurați-vă că atunci când curenții curg într-o direcție, conductorii se atrag, iar când curenții curg în direcții opuse, conductorii resping1.
Astfel, forța care acționează asupra unei secțiuni de lungime Δl a celui de-al doilea conductor este forța Amperi, este egală cu
unde B1 este inducerea câmpului magnetic creat de primul conductor. La scrierea acestei formule, se ține cont de faptul că vectorul de inducție B1 este perpendicular pe al doilea conductor. Inducerea câmpului creat de curent continuu în primul conductor, la locul celui de-al doilea, este egală cu
Din formulele (1), (2) rezultă că forța care acționează asupra secțiunii selectate a celui de-al doilea conductor este egală cu
29. O bobină cu curent într-un câmp magnetic.
Dacă plasați într-un câmp magnetic nu un conductor, ci o bobină (sau bobină) cu curent și o plasați vertical, atunci, aplicând regula stângii pe părțile superioare și inferioare ale bobinei, obținem că forțele electromagnetice F acționarea asupra lor va fi dirijată în direcții diferite. Ca urmare a acțiunii acestor două forțe, ia naștere un cuplu electromagnetic M, care va face ca bobina să se rotească, în acest caz în sensul acelor de ceasornic. Acest moment
unde D este distanța dintre laturile bobinei.
Bobina se va roti în câmpul magnetic până când va lua o poziție perpendiculară pe liniile câmpului magnetic (Fig. 50, b). În această poziție, cel mai mare flux magnetic va trece prin bobină. În consecință, o bobină sau bobină cu curent introdus într-un câmp magnetic extern tinde întotdeauna să ia o poziție astfel încât cel mai mare flux magnetic posibil să treacă prin bobină.
Moment magnetic, moment dipol magnetic- cantitatea principală care caracterizează proprietățile magnetice ale unei substanțe (sursa magnetismului, conform teoriei clasice a fenomenelor electromagnetice, este macro și microcurenți electrici; un curent închis este considerat sursa elementară a magnetismului). Particulele elementare, nucleele atomice și învelișurile electronice ale atomilor și moleculelor au un moment magnetic. Momentul magnetic al particulelor elementare (electroni, protoni, neutroni și altele), așa cum arată mecanica cuantică, se datorează existenței propriului moment mecanic - spin.
30. Fluxul magnetic - o mărime fizică egală cu densitatea fluxului liniilor de forță care trec printr-o zonă infinitezimală dS. Flux F în ca integrală a vectorului de inducție magnetică ÎN printr-o suprafață finită S Determinată printr-o integrală peste suprafață.
31. Lucrul de deplasare a unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic
Să considerăm un circuit purtător de curent format din fire fixe și un jumper mobil de lungime l care alunecă de-a lungul acestora (Fig. 2.17). Acest circuit este situat într-un câmp magnetic extern uniform perpendicular pe planul circuitului.
Un element curent I (fir în mișcare) de lungime l este acționat de o forță Amperi îndreptată spre dreapta:
Lăsați conductorul l să se miște paralel cu el însuși la o distanță dx. Aceasta va face următoarele:
dA=Fdx=IBldx=IBdS=IdФ
Munca efectuată de un conductor asupra unui curent în mișcare este numeric egală cu produsul dintre curent și fluxul magnetic traversat de acest conductor.
Formula rămâne valabilă dacă un conductor de orice formă se mișcă la orice unghi față de liniile vectorului de inducție magnetică.
32. Magnetizarea materiei . Magneții permanenți pot fi fabricați din relativ puține substanțe, dar toate substanțele plasate într-un câmp magnetic sunt magnetizate, adică ele însele devin surse de câmp magnetic. Ca urmare, vectorul de inducție magnetică în prezența materiei diferă de vectorul de inducție magnetică în vid.
Momentul magnetic al unui atom este compus din momentele orbitale și intrinseci ale electronilor incluși în compoziția sa, precum și din momentul magnetic al nucleului (care este determinat de momentele magnetice ale particulelor elementare incluse în nucleu - protoni și neutroni). Momentul magnetic al nucleului este mult mai mic decât momentele electronilor; prin urmare, atunci când se iau în considerare multe aspecte, poate fi neglijat și se poate presupune că momentul magnetic al unui atom este egal cu suma vectorială a momentelor magnetice ale electronilor. Momentul magnetic al unei molecule poate fi considerat egal cu suma momentelor magnetice ale electronilor incluși în compoziția sa.
Astfel, un atom este un sistem magnetic complex, iar momentul magnetic al atomului în ansamblu este egal cu suma vectorială a momentelor magnetice ale tuturor electronilor.
Magnetismși se numesc substanțe care pot fi magnetizate într-un câmp magnetic extern, adică. capabile să-și creeze propriul câmp magnetic. Câmpul intrinsec al substanțelor depinde de proprietățile magnetice ale atomilor lor. În acest sens, magneții sunt analogi magnetici ai dielectricilor.
Conform conceptelor clasice, un atom este format din electroni care se deplasează pe orbite în jurul unui nucleu încărcat pozitiv, care, la rândul său, este format din protoni și neutroni.
Toate substanțele sunt magnetice, adică toate substanțele sunt magnetizate într-un câmp magnetic extern, dar natura și gradul de magnetizare sunt diferite. În funcție de aceasta, toți magneții sunt împărțiți în trei tipuri: 1) diamagnetici; 2) materiale paramagnetice; 3) feromagneți.
Diamagneții. - acestea includ multe metale (de exemplu, cupru, zinc, argint, mercur, bismut), majoritatea gazelor, fosfor, sulf, cuarț, apă, marea majoritate a compușilor organici etc.
Diamagneții se caracterizează prin următoarele proprietăți:
2) propriul său câmp magnetic este îndreptat împotriva celui extern și îl slăbește ușor (m<1);
3) nu există magnetism rezidual (câmpul magnetic propriu al diamagneticului dispare după ce câmpul extern este îndepărtat).
Primele două proprietăți indică faptul că permeabilitatea magnetică relativă m a materialelor diamagnetice este doar puțin mai mică de 1. De exemplu, cel mai puternic dintre materialele diamagnetice, bismutul, are m = 0,999824.
Paramagneți- Acestea includ metale alcaline și alcalino-pământoase, aluminiu, wolfram, platină, oxigen etc.
Materialele paramagnetice se caracterizează prin următoarele proprietăți:
1) magnetizare foarte slabă într-un câmp magnetic extern;
2) propriul câmp magnetic este îndreptat de-a lungul celui exterior și îl intensifică ușor (m>1);
3) nu există magnetism rezidual.
Din primele două proprietăți rezultă că valoarea lui m este doar puțin mai mare decât 1. De exemplu, pentru unul dintre cei mai puternici paramagneți - platină - permeabilitatea magnetică relativă m = 1,00036.
33.Ferromagneți - Acestea includ fier, nichel, cobalt, gadoliniu, aliajele și compușii acestora, precum și unele aliaje și compuși de mangan și crom cu elemente neferomagnetice. Toate aceste substanțe au proprietăți feromagnetice numai în stare cristalină.
Feromagneții se caracterizează prin următoarele proprietăți:
1) magnetizare foarte puternică;
2) propriul câmp magnetic este îndreptat de-a lungul celui extern și îl îmbunătățește semnificativ (valorile lui m variază de la câteva sute la câteva sute de mii);
3) permeabilitatea magnetică relativă m depinde de mărimea câmpului de magnetizare;
4) există magnetism rezidual.
Domeniu- o regiune macroscopică dintr-un cristal magnetic în care orientarea vectorului de magnetizare spontană omogenă sau a vectorului de antiferomagnetism (la o temperatură sub punctul Curie sau respectiv Néel) într-o anumită manieră - strict ordonată - este rotită sau deplasată, adică , polarizat, raportat la direcțiile vectorului corespunzător din domeniile vecine.
Domeniile sunt formațiuni formate dintr-un număr mare de atomi [ordonați] și sunt uneori vizibile cu ochiul liber (dimensiuni de ordinul a 10−2 cm3).
Domeniile există în cristale fero- și antiferomagnetice, feroelectrice și alte substanțe cu ordine spontană pe distanță lungă.
Punctul Curie sau temperatura Curie,- temperatura unei tranziții de fază de ordinul doi asociată cu o schimbare bruscă a proprietăților de simetrie ale unei substanțe (de exemplu, magnetice - în feromagneți, electrice - în feroelectrice, cristalochimice - în aliaje ordonate). Numit după P. Curie. La o temperatură T sub punctul Curie Q, feromagneții au magnetizare spontană și o anumită simetrie magnetic-cristalină. În punctul Curie (T=Q), intensitatea mișcării termice a atomilor unui feromagnet este suficientă pentru a-i distruge magnetizarea spontană („ordinea magnetică”) și a-i schimba simetria, ca urmare feromagnetul devine paramagnetic. În mod similar, pentru antiferomagneții la T=Q (la așa-numitul punct Curie antiferomagnetic sau punctul Néel), structura lor magnetică caracteristică (subrețele magnetice) este distrusă, iar antiferomagneții devin paramagnetici. În feroelectrice și antiferoelectrice la T=Q, mișcarea termică a atomilor reduce la zero orientarea ordonată spontan a dipolilor electrici ai celulelor elementare ale rețelei cristaline. În aliajele ordonate, în punctul Curie (în cazul aliajelor, se mai numește și punct.
Histerezis magnetic observat în substanțe ordonate magnetic (într-un anumit interval de temperatură), de exemplu, în feromagneți, de obicei împărțiți în domenii ale unei regiuni de magnetizare spontană (spontană), în care magnitudinea magnetizării (momentul magnetic pe unitatea de volum) este aceeași, dar directiile sunt diferite.
Sub influența unui câmp magnetic extern, numărul și dimensiunea domeniilor magnetizate de câmp cresc în detrimentul altor domenii. Vectorii de magnetizare ai domeniilor individuale se pot roti de-a lungul câmpului. Într-un câmp magnetic suficient de puternic, feromagnetul este magnetizat la saturație și constă dintr-un domeniu cu magnetizare de saturație JS direcționată de-a lungul câmpului extern H.
Dependența tipică a magnetizării de câmpul magnetic în cazul histerezisului
34. Câmpul magnetic al Pământului
După cum știți, un câmp magnetic este un tip special de câmp de forță care afectează corpurile cu proprietăți magnetice, precum și sarcinile electrice în mișcare. Într-o anumită măsură, un câmp magnetic poate fi considerat un tip special de materie care transmite informații între sarcini electrice și corpuri cu moment magnetic. În consecință, câmpul magnetic al Pământului este un câmp magnetic care este creat din cauza unor factori legați de caracteristicile funcționale ale planetei noastre. Adică, câmpul geomagnetic este creat de Pământ însuși, și nu de surse externe, deși acestea din urmă au un anumit efect asupra câmpului magnetic al planetei.
Astfel, proprietățile câmpului magnetic al Pământului depind în mod inevitabil de caracteristicile originii sale. Teoria principală care explică apariția acestui câmp de forță este asociată cu fluxul de curenți în miezul de metal lichid al planetei (temperatura la miez este atât de ridicată încât metalele sunt în stare lichidă). Energia câmpului magnetic al Pământului este generată de așa-numitul mecanism dinam hidromagnetic, care este cauzat de multidirecționalitatea și asimetria curenților electrici. Acestea generează descărcări electrice crescute, ceea ce duce la eliberarea de energie termică și la apariția de noi câmpuri magnetice. Interesant este că mecanismul dinamului hidromagnetic are capacitatea de a se „autoexcita”, adică activitatea electrică activă din nucleul pământului generează în mod constant un câmp geomagnetic fără influență externă.
35.Magnetizare - mărime fizică vectorială care caracterizează starea magnetică a unui corp fizic macroscopic. Este de obicei desemnat M. Este definit ca momentul magnetic al unei unități de volum a unei substanțe:
Aici, M este vectorul de magnetizare; - vector al momentului magnetic; V - volum.
În cazul general (cazul unui mediu neuniform, dintr-un motiv sau altul), magnetizarea se exprimă ca
și este o funcție de coordonate. Unde este momentul magnetic total al moleculelor în volumul dV Relația dintre M și intensitatea câmpului magnetic H în materialele diamagnetice și paramagnetice este de obicei liniară (cel puțin atunci când câmpul de magnetizare nu este prea mare):
unde χm se numește susceptibilitate magnetică. În materialele feromagnetice nu există o relație neechivocă între M și H din cauza histerezii magnetice, iar tensorul de susceptibilitate magnetică este folosit pentru a descrie dependența.
Intensitatea câmpului magnetic(denumirea standard H) este o mărime fizică vectorială egală cu diferența dintre vectorul de inducție magnetică B și vectorul de magnetizare M.
În Sistemul Internațional de Unități (SI): H = (1/µ 0)B - M unde µ 0 este constanta magnetică.
Permeabilitatea magnetică- o mărime fizică, un coeficient (în funcție de proprietățile mediului) care caracterizează relația dintre inducția magnetică B și intensitatea câmpului magnetic H din substanță. Acest coeficient este diferit pentru diferite medii, așa că vorbesc despre permeabilitatea magnetică a unui anumit mediu (adică compoziția, starea, temperatura, etc.).
De obicei notat cu litera greacă µ. Poate fi fie un scalar (pentru substanțele izotrope) fie un tensor (pentru substanțele anizotrope).
În general, relația dintre inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic prin permeabilitatea magnetică este introdusă ca
iar în cazul general de aici ar trebui înțeles ca un tensor, căruia îi corespunde în notație componente
Să luăm în considerare situația: sarcina q 0 intră într-un câmp electrostatic. Acest câmp electrostatic este creat și de un corp încărcat sau de un sistem de corpuri, dar nu ne interesează acest lucru. O forță acționează asupra sarcinii q 0 din câmp, care poate face lucru și deplasa această sarcină în câmp.
Lucrul câmpului electrostatic nu depinde de traiectorie. Lucrul efectuat de câmp atunci când o sarcină se mișcă pe o cale închisă este zero. Din acest motiv, se numesc forțele de câmp electrostatic conservator, iar câmpul în sine este numit potenţial.
Potenţial
Sistemul „sarcină – câmp electrostatic” sau „sarcină – încărcare” are energie potențială, la fel cum sistemul „câmp gravitațional – corp” are energie potențială.
Se numește o mărime scalară fizică care caracterizează starea energetică a câmpului potenţial un punct dat în domeniu. O sarcină q este plasată într-un câmp, are energie potențială W. Potențialul este o caracteristică a unui câmp electrostatic.
Să ne amintim energia potențială în mecanică. Energia potențială este zero atunci când corpul este pe pământ. Și când un corp este ridicat la o anumită înălțime, se spune că corpul are energie potențială.
În ceea ce privește energia potențială în electricitate, nu există un nivel zero al energiei potențiale. Se alege aleatoriu. Prin urmare, potențialul este o mărime fizică relativă.
În mecanică, corpurile tind să ocupe o poziție cu cea mai mică energie potențială. În electricitate, sub influența forțelor câmpului, un corp încărcat pozitiv tinde să se deplaseze dintr-un punct cu un potențial mai mare într-un punct cu un potențial mai mic, iar un corp încărcat negativ, invers.
Energia potențială a câmpului este munca efectuată de forța electrostatică atunci când se deplasează o sarcină dintr-un punct dat din câmp într-un punct cu potențial zero.
Să luăm în considerare cazul special când un câmp electrostatic este creat de o sarcină electrică Q. Pentru a studia potențialul unui astfel de câmp, nu este nevoie să introducem o sarcină q în el. Puteți calcula potențialul oricărui punct dintr-un astfel de câmp situat la o distanță r de sarcina Q.
Constanta dielectrica a mediului are o valoare cunoscuta (tabulara) si caracterizeaza mediul in care exista campul. Pentru aer este egal cu unitate.
Diferență de potențial
Lucrul efectuat de un câmp pentru a muta o sarcină dintr-un punct în altul se numește diferență de potențial
Această formulă poate fi prezentată sub altă formă
Suprafață echipotențială (linie)- suprafata de potential egal. Munca efectuată pentru deplasarea unei sarcini de-a lungul unei suprafețe echipotențiale este zero.
Voltaj
Se mai numește și diferența de potențial tensiune electrică cu condiţia ca forţele externe să nu acţioneze sau efectul lor poate fi neglijat.
Tensiunea dintre două puncte dintr-un câmp electric uniform situat de-a lungul aceleiași linii de intensitate este egală cu produsul dintre modulul vectorului intensității câmpului și distanța dintre aceste puncte.
Curentul din circuit și energia particulei încărcate depind de tensiune.
Principiul suprapunerii
Potențialul unui câmp creat de mai multe sarcini este egal cu suma algebrică (ținând cont de semnul potențialului) a potențialelor câmpurilor fiecărui câmp separat
La rezolvarea problemelor, apare multă confuzie atunci când se determină semnul potențialului, diferenței de potențial și a muncii.
Figura prezintă liniile de tensiune. În ce punct al câmpului este potențialul mai mare?
Răspunsul corect este punctul 1. Să ne amintim că liniile de tensiune încep pe o sarcină pozitivă, ceea ce înseamnă că sarcina pozitivă este în stânga, prin urmare punctul cel mai din stânga are potențialul maxim.
Dacă se studiază un câmp care este creat de o sarcină negativă, atunci potențialul de câmp din apropierea sarcinii are o valoare negativă, aceasta poate fi ușor verificată dacă o sarcină cu semnul minus este înlocuită în formulă. Cu cât mai departe de sarcina negativă, cu atât potenţialul câmpului este mai mare.
Dacă o sarcină pozitivă se mișcă de-a lungul liniilor de tensiune, atunci diferența de potențial și lucrul sunt pozitive. Dacă o sarcină negativă se mișcă de-a lungul liniilor de tensiune, atunci diferența de potențial are semnul „+”, iar lucrarea are semnul „-”.
Electronii de conducție nu părăsesc metalul în mod spontan în cantități apreciabile. Acest lucru se explică prin faptul că metalul reprezintă o gaură potențială pentru ei. Numai acei electroni a căror energie este suficientă pentru a depăși bariera de potențial prezentă pe suprafață sunt capabili să părăsească metalul. Forțele care provoacă această barieră au următoarea origine. Îndepărtarea aleatorie a unui electron din stratul exterior de ioni pozitivi al rețelei are ca rezultat apariția unei sarcini pozitive în exces în locul în care electronul a plecat.
Interacțiunea Coulomb cu această sarcină forțează electronul, a cărui viteză nu este foarte mare, să se întoarcă înapoi. Astfel, electronii individuali părăsesc în mod constant suprafața metalului, se îndepărtează de acesta la câteva distanțe interatomice și apoi se întorc înapoi. Drept urmare, metalul este înconjurat de un nor subțire de electroni. Acest nor, împreună cu stratul exterior de ioni, formează un strat dublu electric (Fig. 60.1; cercuri - ioni, puncte negre - electroni). Forțele care acționează asupra electronului dintr-un astfel de strat sunt direcționate în metal.
Munca efectuată împotriva acestor forțe la transferul unui electron din metal către exterior crește energia potențială a electronului
Astfel, energia potențială a electronilor de valență în interiorul metalului este mai mică decât în afara metalului cu o cantitate egală cu adâncimea puțului de potențial (Fig. 60.2). Modificarea energiei are loc pe o lungime de ordinul mai multor distanțe interatomice, astfel încât pereții puțului pot fi considerați verticali.
Energia potenţială a unui electron şi potenţialul punctului în care se află electronul au semne opuse. Rezultă că potențialul din interiorul metalului este mai mare decât potențialul din imediata vecinătate a suprafeței sale (vom spune pur și simplu „la suprafață” pentru concizie) cu cantitatea
Dând metalului o sarcină pozitivă în exces crește potențialul atât la suprafață, cât și în interiorul metalului. Energia potenţială a electronului scade în mod corespunzător (Fig. 60.3, a).
Să ne amintim că valorile energiei potențiale și potențiale la infinit sunt luate ca punct de referință. Mesajul de sarcină negativă scade potențialul din interiorul și din exteriorul metalului. În consecință, energia potențială a electronului crește (Fig. 60.3, b).
Energia totală a unui electron dintr-un metal constă din energii potențiale și cinetice. În § 51 s-a constatat că la zero absolut valorile energiei cinetice a electronilor de conducere variază de la zero la energia Emax care coincide cu nivelul Fermi. În fig. 60.4, nivelurile de energie ale benzii de conducere sunt înscrise în puțul de potențial (linia punctată arată nivelurile neocupate). Pentru a fi îndepărtați din metal, diferiților electroni trebuie să li se acorde energii diferite.
Astfel, unui electron situat la nivelul cel mai de jos al benzii de conducere trebuie să i se acorde energie pentru un electron situat la nivelul Fermi, energia este suficientă
Energia minimă care trebuie transmisă unui electron pentru a-l îndepărta dintr-un solid sau lichid într-un vid se numește funcție de lucru. Funcția de lucru este de obicei notă cu unde Ф este o mărime numită potențial de ieșire.
În conformitate cu cele de mai sus, funcția de lucru a unui electron dintr-un metal este determinată de expresie
Am obținut această expresie în ipoteza că temperatura metalului este 0 K. La alte temperaturi, funcția de lucru este determinată și ca diferența dintre adâncimea puțului de potențial și nivelul Fermi, adică definiția (60.1) este extinsă la orice temperatură. Aceeași definiție se aplică semiconductorilor.
Nivelul Fermi depinde de temperatură (vezi formula (52.10)). În plus, datorită modificării distanțelor medii dintre atomi din cauza expansiunii termice, adâncimea puțului de potențial se modifică ușor, ceea ce duce la faptul că funcția de lucru este ușor dependentă de temperatură.
Funcția de lucru este foarte sensibilă la starea suprafeței metalice, în special la curățenia acesteia. Prin selectarea acoperirii adecvate a suprafeței, funcția de lucru poate fi redusă foarte mult. De exemplu, aplicarea unui strat de oxid de metal alcalino-pământos (Ca, Sr, Ba) pe suprafața tungstenului reduce funcția de lucru de la 4,5 eV (pentru W pur) la 1,5-2.
§ 104. Funcția de lucru a electronilor care părăsesc un metal
Experiența arată că electronii liberi practic nu părăsesc metalul la temperaturi obișnuite. În consecință, trebuie să existe un câmp electric de întârziere în stratul de suprafață al metalului, împiedicând electronii să scape din metal în vidul din jur. Lucrul necesar pentru a îndepărta un electron dintr-un metal într-un vid se numește functia de lucru. Să indicăm două motive probabile pentru apariția funcției de lucru:
1. Dacă un electron este îndepărtat dintr-un metal dintr-un anumit motiv, atunci apare o sarcină pozitivă în exces în locul în care electronul a plecat și electronul este atras de sarcina pozitivă indusă de el însuși.
2. Electronii individuali, care părăsesc metalul, se îndepărtează de acesta la distanțe de ordinul atomului și creează astfel un „nor de electroni” deasupra suprafeței metalului, a cărui densitate scade rapid odată cu distanța. Acest nor, împreună cu stratul exterior de ioni pozitivi al rețelei, se formează strat dublu electric, al cărui câmp este similar cu câmpul unui condensator cu plăci paralele. Grosimea acestui strat este egală cu mai multe distanțe interatomice (10–10–10–9 m). Nu creează un câmp electric în spațiul exterior, dar împiedică electronii liberi să scape din metal.
Astfel, atunci când un electron părăsește metalul, acesta trebuie să învingă câmpul electric al stratului dublu care îl întârzie. Diferența de potențial în acest strat, numit salt de potențial de suprafață, este determinată de funcția de lucru ( O) electroni din metal:
Unde e - sarcina electronilor. Deoarece nu există câmp electric în afara stratului dublu, potențialul mediului este zero, iar în interiorul metalului potențialul este pozitiv și egal cu . Energia potențială a unui electron liber în interiorul unui metal este - e și este negativă în raport cu vidul. Pe baza acestui fapt, putem presupune că întregul volum al metalului pentru electroni de conducție reprezintă un puț de potențial cu un fund plat, a cărui adâncime este egală cu funcția de lucru. O.
Funcția de lucru este exprimată în electron volți(eV): 1 eV este egal cu munca efectuată de forțele câmpului atunci când se deplasează o sarcină electrică elementară (o sarcină egală cu sarcina unui electron) atunci când trece printr-o diferență de potențial de 1 V. Deoarece sarcina unui electron este 1,610 –19 C, apoi 1 eV = 1,610 –19 J.
Funcția de lucru depinde de natura chimică a metalelor și de curățenia suprafeței lor și variază cu câțiva electroni volți (de exemplu, pentru potasiu O= 2,2 eV, pentru platină O=6,3 eV). Alegând un strat de suprafață într-un anumit mod, puteți reduce semnificativ funcția de lucru. De exemplu, dacă aplicați tungsten pe suprafață (O= 4,5eV) strat de oxid de metal alcalino-pământos (Ca, Sr, Ba), apoi funcția de lucru este redusă la 2 eV.
§ 105. Fenomenele de emisie şi aplicarea lor
Dacă le oferim electronilor din metale energia necesară pentru a depăși funcția de lucru, atunci unii dintre electroni pot părăsi metalul, rezultând fenomenul de emisie de electroni sau emisii electronice. În funcție de metoda de transmitere a energiei electronilor, se disting emisiile termoionice, fotoelectronice, secundare de electroni și de câmp.
1. Emisia termoionică este emisia de electroni de către metalele încălzite. Concentrația de electroni liberi în metale este destul de mare, prin urmare, chiar și la temperaturi medii, datorită distribuției vitezelor (energiilor) electronilor, unii electroni au suficientă energie pentru a depăși bariera de potențial la limita metalului. Odată cu creșterea temperaturii, numărul de electroni, a cărui energie cinetică a mișcării termice este mai mare decât funcția de lucru, crește și fenomenul de emisie termoionică devine vizibil.
Studiul legilor emisiei termoionice poate fi efectuat folosind cea mai simplă lampă cu doi electrozi - dioda de vid, care este un cilindru evacuat care conține doi electrozi: un catod Kși anod O.În cel mai simplu caz, catodul este un filament format dintr-un metal refractar (de exemplu, wolfram), încălzit de un curent electric. Anodul ia cel mai adesea forma unui cilindru metalic care înconjoară catodul. Dacă dioda este conectată la circuit, așa cum se arată în Fig. 152, atunci când catodul este încălzit și anodului i se aplică o tensiune pozitivă (față de catod), în circuitul anodic al diodei apare un curent. Dacă schimbați polaritatea bateriei Bși atunci curentul se oprește, indiferent cât de fierbinte ar fi încălzit catodul. În consecință, catodul emite particule negative - electroni.
Dacă menținem constantă temperatura catodului încălzit și eliminăm dependența curentului anodic eu si de la tensiunea anodica U A, - caracteristica curent-tensiune(Fig. 153), se dovedește că nu este liniară, adică pentru o diodă în vid legea lui Ohm nu este îndeplinită. Dependența curentului termoionic eu de la tensiunea anodului în zona valorilor pozitive mici U descrise legea a trei secunde(stabilit de fizicianul rus S. A. Boguslavsky (1883-1923) și fizicianul american I. Langmuir (1881-1957)):
Unde ÎN- coeficient în funcție de forma și dimensiunea electrozilor, precum și de poziția relativă a acestora.
Pe măsură ce tensiunea anodului crește, curentul crește până la o anumită valoare maximă eu noi, sunat curent de saturație. Aceasta înseamnă că aproape toți electronii care părăsesc catodul ajung la anod, așa că o creștere suplimentară a intensității câmpului nu poate duce la o creștere a curentului termoionic. În consecință, densitatea curentului de saturație caracterizează emisivitatea materialului catodic.
Se determină densitatea curentului de saturație Richardson - formula Deshman, derivat teoretic pe baza statisticii cuantice:
Unde A - funcția de lucru a electronilor care părăsesc catodul, T - temperatura termodinamica, CU- mulgere constantă, teoretic egală a tuturor metalelor (acest lucru nu este confirmat de experiment, ceea ce se explică aparent prin efectele de suprafață). O scădere a funcției de lucru duce la o creștere bruscă a densității curentului de saturație. Prin urmare, se folosesc catozi de oxid (de exemplu, nichel acoperit cu un oxid de metal alcalino-pământos), a căror funcție de lucru este de 1-1,5 eV.
În fig. 153 prezintă caracteristicile curent-tensiune pentru două temperaturi catodice: T 1 și T 2, și T 2 >T 1 . CU Pe măsură ce temperatura catodului crește, emisia de electroni din catod devine mai intensă, iar curentul de saturație crește și el. La U a =0, se observă un curent anodic, adică unii electroni emiși de catod au energie suficientă pentru a depăși funcția de lucru și a ajunge la anod fără a aplica un câmp electric.
Fenomenul de emisie termoionică este utilizat în dispozitivele în care este necesar să se obțină un flux de electroni în vid, de exemplu în tuburi vid, tuburi cu raze X, microscoape electronice etc. Tuburile electronice sunt utilizate pe scară largă în ingineria electrică și radio. , automatizari si telemecanica pentru redresarea curentilor alternativi, amplificarea semnalelor electrice si a curentilor alternativi, generarea de oscilatii electromagnetice etc. In functie de scop, la lampi se folosesc electrozi de comanda suplimentari.
2. Emisia de fotoelectroni este emisia de electroni dintr-un metal sub influența luminii, precum și a radiației electromagnetice cu unde scurte (de exemplu, raze X). Principiile principale ale acestui fenomen vor fi discutate atunci când se ia în considerare efectul fotoelectric.
3. Emisia secundară de electroni- este emisia de electroni de pe suprafața metalelor, semiconductorilor sau dielectricilor atunci când sunt bombardate cu un fascicul de electroni. Fluxul de electroni secundari este format din electroni reflectați de suprafață (electroni reflectați elastic și inelastic) și electroni secundari „adevărați” - electroni scoși din metal, semiconductor sau dielectric de electronii primari.
Raportul numărului de electroni secundari n 2 la numărul de primare n 1 , care provoacă emisia se numește factorul de emisie de electroni secundari:
Coeficient depinde de natura materialului de suprafață, de energia particulelor de bombardare și de unghiul lor de incidență pe suprafață. În semiconductori și dielectrici mai mult decât metalele. Acest lucru se explică prin faptul că, în metalele în care concentrația de electroni de conducție este mare, electronii secundari, care se ciocnesc adesea de ei, își pierd energia și nu pot părăsi metalul. În semiconductori și dielectrici, datorită concentrației scăzute de electroni de conducție, ciocnirile electronilor secundari cu aceștia apar mult mai rar și probabilitatea ca electronii secundari să părăsească emițătorul crește de câteva ori.
De exemplu în Fig. 154 arată dependența calitativă a coeficientului de emisie de electroni secundari din energie E electroni incidenti pentru KCl. Odată cu creșterea energiei electronilor crește pe măsură ce electronii primari pătrund mai adânc în rețeaua cristalină și, prin urmare, scot mai mulți electroni secundari. Cu toate acestea, la o anumită energie a electronilor primari începe să scadă. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce adâncimea de penetrare a electronilor primari crește, devine din ce în ce mai dificil pentru electronii secundari să iasă la suprafață. Sens max pentru KCl ajunge la12 (pentru metale pure nu depăşeşte 2).
Fenomenul de emisie secundară de electroni este utilizat în tuburi fotomultiplicatoare(PMT), aplicabil pentru amplificarea curenților electrici slabi. Fotomultiplicatorul este un tub de vid cu un fotocatod K și un anod A, între care se află mai mulți electrozi - emițători(Fig. 155). Electronii, rupți din fotocatod sub influența luminii, intră în emițătorul E 1, trecând prin diferența de potențial de accelerare dintre K și E 1. E 1 este scos din emițător electroni. Fluxul de electroni astfel amplificat este direcționat către emițătorul E 2, iar procesul de multiplicare se repetă pe toți emițătorii următori. Dacă PMT conține n emițători, apoi la anodul A, numit colector, se dovedește a fi întărit în n ori cu curentul fotoelectronului.
4. Emisii autoelectronice este emisia de electroni de pe suprafața metalelor sub influența unui câmp electric extern puternic. Aceste fenomene pot fi observate într-un tub evacuat, a cărui configurație electrozilor (catod - vârf, anod - suprafața interioară a tubului) permite, la tensiuni de aproximativ 10 3 V, să se obțină câmpuri electrice cu o putere de aproximativ 10. 7 V/m. Cu o creștere treptată a tensiunii, deja la o intensitate a câmpului la suprafața catodului de aproximativ 10 5 -10 6 V/m, apare un curent slab din cauza electronilor emiși de catod. Puterea acestui curent crește odată cu creșterea tensiunii pe tub. Curenții apar atunci când catodul este rece, așa că fenomenul descris este numit și emisie rece. O explicație a mecanismului acestui fenomen este posibilă doar pe baza teoriei cuantice.
