Лекция 4

Тема: Термоэлектрические явления. Электрический ток в газах.

Вопросы: 1) Контактная разность потенциалов.

2) Электрический ток в вакууме.

3) Электрический ток в газах.

4) Плазма

1. При соприкосновении двух проводников электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны по своей природе, то оба потока диффузии электронов неодинаковы и один проводник с избытком электронов заряжается отрицательно, а другой, с их недостатком, заряжается положительно. Поэтому внутри проводников и во внешнем пространстве между проводниками появляется электрическое поле. В состоянии равновесия внутри проводников устанавливается такое поле, которое как раз компенсирует разность потоков диффузии.

Рассмотрим два различных проводника 1 и 2, находящиеся в электрическом контакте при одинаковой температуре (рис.4.1). Разность потенциалов между точками а и б называется внешней контактной разностью потенциалов U12.

Электрическое поле существует также в тонком пограничном слое на границе раздела проводник 1 – проводник 2. Его называют внутренней контактной разностью потенциалов или контактным скачком

Рис.4.1 потенциала.

Если цепь составлена из нескольких металлов, то внешняя контактная разность потенциалов определяется только крайними металлами цепи.

Контактная разность потенциалов сильно изменяется при загрязнении поверхностей.

Теперь рассмотрим цепь из двух металлов, составляющих два контакта В и С (рис.4.2).

Рис.4.2

Из проведенного выше рассмотрения следует, что на границах соприкосновения двух различных металлов имеются контактные скачки потенциала Uконт. Значит, в каждом приконтактном слое возникает электродвижущая сила. Сторонние силы проявляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в разных металлах.

а б

Рис.4.3

Контакты симметричные, поэтому при одинаковой температуре цепи результирующая ЭДС цепи равна нулю (рис.4.3 а) и вольтметр не покажет напряжения. Если же температура контактов неодинакова, то в цепи появляется ток. Это явление термоэлектричества. Явление было открыто в начале девятнадцатого века Зеебеком.

Пусть Т1 > Т2. Будем считать для простоты, что температура концов цепи, А и D, одинакова и равна Т2. Тепловые скорости электронов вблизи контакта В больше, чем вблизи контакта С, поэтому будет преобладать поток диффузии электронов от В к С. В результате на поверхностях проводника 2 возникают заряды (слева положительные, справа – отрицательные) и электрическое поле, а значит, и контактные скачки потенциала будут теперь разными (рис.4.3 б). Термоэдс, показываемая вольтметром, складывается из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах. Она пропорциональна разности температур контактов

Е = α (Т1 –Т2),

где α – коэффициент, зависящий от рода проводников.

У металлов термоэдс мала, она значительно больше в цепи, составленной из полупроводников и металлов, так как число свободных электронов в полупроводниках сильно зависит от температуры. Явление Зеебека применяется в термогенераторах тока, термобатареях для измерения температуры, интенсивности света. Термогенераторы и термобатарей состоят из последовательно соединенных пар контактов, при этом термоэдс суммируются.

Если через контакт двух проводников пропускать ток, то, кроме тепла Джоуля-Ленца, в контакте будет происходить, в зависимости от направления тока, выделение или поглощение тепла. Контакт будет или нагреваться или охлаждаться. Это явление называется эффектом Пельтье. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в спае, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай

Q = Пq = ПIt,

где коэффициент П зависит от рода соприкасающихся проводников и их температуры. У металлов он составляет 10ˉ² - 10ˉ³ В, у полупроводников коэффициент Пельтье и термоэдс на несколько порядков больше.

Тепло Джоуля-Ленца пропорционально квадрату силы тока и не зависит от направления тока, тепло Пельтье пропорционально силе тока и меняет знак при изменении направления тока.

Происхождение тепла Пельтье объясняется следующим образом. Каждый электрон при своем движении переносит не только свой заряд, но и присущую ему энергию, то есть возникает поток энергии. В разных проводниках энергия электронов разная. Если к контакту подходят электроны с большей энергией, а отходят от контакта электроны с меньшей энергией, то контакт нагревается и наоборот.

Эффект Пельтье находит применение в термоэлектрических холодильниках. Термоэлектрические холодильники могут поддерживать температуру от -30ºС до +100ºС. Мощность их невелика, используются они в качестве автомобильных холодильников емкостью до 20 л..

2. При образовании поликристаллического состояния вещества металлов перекрываются внешние электронные оболочки атомов металла и электроны этих оболочек могут свободно перемещаться от атома к атому, совершая хаотическое тепловое движение. Однако, выйти за пределы вещества электроны сами не могут, так как существуют силы притяжения электронов к ядрам атомов. Если сообщить электронам дополнительную энергию, то часть электронов металла получает возможность выйти из металла. Явление испускания электронов веществом называется электронной эмиссией. Если электроны получают энергию за счет нагрева вещества, то это термоэлектронная эмиссия. Если электроны испускаются под действием света, то это явление фотоэмиссии или фотоэлектрический эффект. Если электроны получают энергию при бомбардировке вещества налетающими ионами или электронами, то это вторичная электронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия используется в электронно - лучевых трубках телевизоров, компьютеров, осциллографов и других устройствах.

В простейшем виде устройство для наблюдения термоэлектронной эмиссии состоит из раскаливаемого током катода из тугоплавкого металла и холодного анода, собирающего электроны; оба электрода помещены в стеклянный баллон, воздух из которого откачан до состояния сильного разрежения (вакуума).

При нагреве катода вылетающие электроны образуют вблизи катода облако. При нулевом напряжении на аноде только немногие быстрые электроны долетают до него и ток мал (рис.4.4). При увеличении напряжения на аноде относительно катода ток резко растет, все больше электронов под действием поля достигает анода и при некотором напряжении все электроны, вылетевшие из катода, долетают до анода. Ток достигает насыщения и больше не растет.

Зависимость тока от потенциала анода имеет вид

I = CU ,

где С зависит от формы и размеров электродов.

Рис.4.4

Чтобы увеличить силу тока, надо увеличить температуру катода. Число электронов в металле, способных преодолеть потенциальный барьер на поверхности и выйти в вакуум, быстро увеличивается при повышении температуры. Поэтому и плотность тока насыщения очень сильно зависит от температуры. Эта зависимость имеет вид

,

где В – постоянная, k – постоянная Больцмана, А – работа выхода электрона из металла.

Работа выхода электронов из некоторых металлов:

вольфрам – 4,5 эВ;

молибден – 4,3 эВ;

магний – 3,5 эВ. 1 эВ = 1,6·10 Дж.

2. Газы в обычном состоянии не проводят электричества, так как не имеют достаточного количества свободных зарядов. В этом можно убедиться, поместив в воздухе две металлических пластины, соединенных с источником ЭДС и электроизмерительными приборами (рис.4.5).

Рис.4.5

Однако сильный нагрев, воздействие ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением делают газ проводящим. Их энергии достаточно для ионизации газа. От атомов газа отщепляется один или больше электронов, образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Часть электронов может быть захвачена нейтральными атомами, поэтому могут образоваться еще и отрицательные ионы.

При повышении напряжения на электродах ток растет (рис.4.6), все больше заряженных частиц достигает электродов. Остальные ионы и электроны, совершая тепловое движение, могут снова соединиться в атомы, это процесс рекомбинации ионов. При рекомбинации выделяется энергия, затраченная на ионизацию, обычно энергия испускается в виде квантов света. Чем больше ионов в газе, тем выше интенсивность свечения в области газового разряда.

Когда все образованные ионизатором заряды долетают до электродов, ток становится насыщенным и больше не изменяется. Можно увеличить ток, увеличив мощность ионизатора. Если убрать ионизатор, то ток исчезает, поэтому такой газовый разряд называется несамостоятельным.

Рис.4.6

При увеличении напряжения ток может резко возрасти и не прекратиться после удаления ионизатора. Такой газовый разряд называется самостоятельным и обусловлен он возникновением электронных лавин.

Электрон разгоняется электрическим полем, приобретая кинетическую энергию за счет работы поля

Если полученная энергия будет равна или больше энергии ионизации атома, то при соударении электрон образует еще один электрон и положительный ион, далее оба электрона образуют еще два т.д. Так возникает лавина электронов (рис.4.7).

Рис.4.7

Положительный ион также ускоряется полем, может набрать энергию, достаточную для ионизации атомов металла и ударяясь о катод, выбивает из него вторичный электрон. Эти вторичные электроны рождают новые лавины и так поддерживается самостоятельный разряд.

Существует несколько разновидностей газового разряда.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд возникает в газоразрядных светильниках различного назначения (лампы дневного света, реклама и т.п.), используется в плазменных телевизорах. К электродам, впаянным в стеклянную трубку, из которой откачан воздух или инертный газ до низкого давления, прикладывается постоянное напряжение. Возникает разряд в виде светящегося шнура, соединяющего анод и катод. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность трубки. Состав люминофора подбирается так, чтобы получать различные оттенки свечения, близкие к солнечному излучению (холодный или теплый тон, белый свет).