Контактные явления, контактная разность потенциалов

Вопросы и ответы

История изучения

Контактная разность потенциалов была открыта и изучена итальянским физиком Алессандро Вольта в 1797 году. Он проводил опыты, соединяя диски из разных металлов в стопку в строго определенном порядке и измеряя возникающее между ними напряжение.

Например, в одном из опытов он соединил плоскими сторонами в указанном порядке диски из следующих материалов: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd. В этом ряду каждый последующий металл имел более низкий потенциал, чем предыдущий. Ученый обобщил результаты своих экспериментов и сформулировал законы, названные его именем.

Простое объяснение

В классической механике рассмотрение проблемы с энергетической точки зрения может значительно упростить ситуацию по сравнению с рассмотрением ее с точки зрения сил, действующих на систему. В частности, существенную роль в этом контексте играет тот факт, что энергия является сохраняющейся переменной.

Также в классической электродинамике оказывается очень полезным оценивать уровень энергии. Поэтому электрический потенциал φ (называемый также электростатическим потенциалом) определяется как отношение между потенциальной энергией Epot электрического пробного заряда и его электрическим зарядом q: φ = Epot/q .

Возможность определения такого электрического потенциала обусловлена ​​тем, что электрическое поле Е распределения заряда и возникающая при этом электростатическая сила Fc на пробном электрическом заряде является консервативной силой, аналогичной силе гравитации.

Электрический потенциал имеет единицу вольт В или также джоуль на кулон Дж/Кл .

Формулы

В этом разделе мы познакомим вас с двумя важными формулами для электрического потенциала определенных распределений электрических зарядов. Мы также кратко обсудим аналогию между электрическим потенциалом и гравитацией.

Пластинчатый конденсатор

Рассмотрим ситуацию, когда две плоские пластины расположены параллельно на расстоянии d друг от друга. Также пусть одна из двух пластин заряжена положительно, а другая отрицательно. Эта комбинация также называется пластинчатым конденсатором.

Обозначим точку на положительной пластине как A, а точку на отрицательной пластине как B. Таким образом, для разности потенциалов между этими двумя точками получаем:

φВ – φA = – E * d .

Здесь Е — величина электрического поля между двумя пластинами, которое считается однородным. Эта разность потенциалов также называется электрическим напряжением, существующим между этими двумя точками.

Из этого уравнения видно, что электрический потенциал на положительно заряженной пластине (пластина А) выше, чем потенциал на отрицательно заряженной пластине (пластина В). Следовательно, положительный заряд пластинчатого конденсатора перемещается к отрицательной пластине.

В общем случае электрическое поле — а значит, и направление движения положительного заряда — направлено в ту сторону, в которой быстрее всего уменьшается электрический потенциал.

Аналогия с гравитационным полем

Если умножить уравнение (приведенное выше в статье) на величину электрического заряда q электрического пробного заряда и предположить, что отрицательно заряженная пластина имеет электрический потенциал, равный нулю, то электрическая потенциальная энергия на расстоянии h от табличка будет:

Epot эл = q * φ = q * E * h

Здесь φ обозначает электрический потенциал в точке электрического пробного заряда.

Сравним это уравнение с потенциальной энергией в однородном гравитационном поле:

Эпот гр знак равно м * г * т .

Определяем, что количество электрического заряда q играет роль массы m, а величина электрического поля E играет роль ускорения свободного падения g. Масса на высоте h над землей ускоряется к земле под действием тяжести.

Таким образом, масса движется в том направлении, в котором уменьшается ее потенциальная энергия. Точно так же положительный электрический заряд движется в направлении, в котором его электрическая потенциальная энергия будет уменьшаться.

Поскольку электрическая потенциальная энергия и электрический потенциал связаны линейной зависимостью, это наблюдение аналогично положительно заряженной частице, движущейся в направлении уменьшения электрического потенциала.

В качестве потенциальной энергии физический смысл имеет только разность потенциалов, так как при определении электрического потенциала необходимо произвольно определить точку отсчета, от которой можно обозначить другие точки пространства.

В этом смысле сам электрический потенциал не имеет реального физического смысла, так как значение для данной точки пространства можно изменить, выбрав другую точку отсчета. Таким образом, электрический потенциал ведет себя как высота, потому что вы не можете говорить о высоте, пока у вас нет точки отсчета.

На топографической карте пути, на которых высота не меняется, называются изолиниями. Точно так же пути, вдоль которых электрический потенциал постоянен, называются эквипотенциальными линиями.

Заряженные частицы

Предположим, что частица с зарядом q находится в начале выбранной нами системы координат. Пусть положение второй точки будет r и пусть r будет расстоянием между двумя точками. К электрическому потенциалу в точке r применяются следующие условия:

φ(r) = q/4 * π * ε0 * r ,

здесь ε0 — электрическая постоянная.

Это уравнение предполагает, что под действием электрического поля положительный электрический пробный заряд переносится из бесконечности в положение r.

Примеры задач

Наконец, давайте вместе посчитаем небольшой пример. Предположим, что электрон ускоряется с отрицательно заряженной пластины на положительно заряженную через разность потенциалов 2000 В. Как изменяется потенциальная энергия электрона?

Для разности электрических потенциалов между двумя пластинами: φB — φA = ΔEpot/q, пересчитанной в желаемое изменение потенциальной энергии, получим:

ΔEpot = q * (φB – φA) .

Величина электрического заряда электрона равна qэ = е = — 1,6*10-19 Кл и поэтому получаем:

ΔЕпот = е * (φВ — φА) = — 1,6 * 10-19 Кл * 2000 В = -3,2 * 10-19 Дж.

Обратите внимание, что V = J/C. Кроме того, мы приняли, что пластина с точкой В заряжена положительно, поэтому знака минус нет до 2000 В. Расчет показывает, что потенциальная энергия электрона уменьшается.

Электроны в твёрдом теле

Каждое твердое тело состоит из атомов. В каждом из них электроны вращаются вокруг ядра. Иногда они покидают атом и беспорядочно перемещаются за его пределы. После потери электрона атом становится ионом и получает положительный заряд. В результате ион начинает притягивать к себе электроны, которые возвращаются на свои орбиты.

Эти процессы происходят не только внутри твердого тела, но и в некоторых случаях вне его. Поэтому можно представить, что электронное облако существует очень близко к его границам. Одни частицы пополняют его, другие возвращаются в организм.

Если твердые тела касаются друг друга, электронные облака на поверхности перемешиваются. При этом часть электронов покинет то или иное тело, а часть будет двигаться внутри одного из них. Однако этот процесс не будет одинаковым в обоих случаях.

Контакт поверхностей

Чтобы электрон покинул твердое тело, он должен совершить определенную работу. Важно отметить, что в разных случаях значение может различаться. В том теле, для выхода из которого электрон должен совершить большую работу, количество заряженных частиц будет больше.

Эта неравномерность приведет к образованию контактной разности электрических потенциалов на контактной границе. Одно из тел будет заряжено положительно, а другое отрицательно.

Еще одним фактором, влияющим на неравномерность распределения, является плотность электронного облака. Частицы из более плотного состояния постепенно диффундируют в относительно разреженное состояние.

Если неравномерность распределения частиц увеличивается, результирующее электрическое поле увеличивается. Стабилизируется только тогда, когда начинает препятствовать увеличению заряда. Поэтому можно сказать, что контактная разность электрических потенциалов есть результат работы, совершаемой электронами.

Величина потенциалов не зависит ни от площади контакта, ни от геометрической формы тел. Химический состав металла и его температура играют важную роль. С ростом увеличивается концентрация собственных носителей заряда, что приводит к уменьшению контактной разности потенциалов.

Чтобы покинуть атом, электрон должен совершить некоторую работу. Допустим, это значение равно A для одного материала и B для другого. Для определенности предположим, что А > В. При этом поверхность первого проводника постепенно заряжается положительно, а второго — отрицательно.

При этом разность потенциалов U между ними будет увеличиваться. Но по мере его увеличения будет наблюдаться больше электронных переходов между материалами. Когда разность потенциалов достигнет предельного значения, переход электронов в обоих направлениях станет равновероятным. Величину контактной разности потенциалов можно найти по формуле:

Величина U в соответствующем случае называется внешней контактной разностью потенциалов. На практике оно колеблется в большинстве случаев от десятых долей до нескольких вольт.

Речь идет о разности потенциалов между точками, которые находятся очень близко к поверхности, но в то же время вне ее. Если рассматривать аналогичную величину между точками, близкими к границе поверхности, но за ней для каждого материала, то будем говорить о внутренней контактной разности потенциалов.

С одной контактной поверхности на другую может перейти не более двух процентов свободных электронов. Из-за этого электрическое контактное поле располагается исключительно в зоне контакта и практически не захватывает внутренние области контактирующих тел.

Читайте также: Ремонт холодильников своими руками: самая полная инструкция и руководство

Работа выхода в металлах

В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотического теплового движения. Но при обычных температурах они не покидают металл. Возле поверхности металла существует тормозящее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла, электрон должен совершить работу по преодолению тормозящих сил. Эта работа называется работой выхода.

Рабочая функция

Работа выхода – это работа, которую должен совершить электрон, чтобы покинуть металл.

Формула работы выхода:

А=ЕС,

где e — заряд электрона, U — разность потенциалов между точками в металле и вне тормозящего слоя.

Работа выхода измеряется в электрон-вольтах.

Электрон-вольт — единица измерения вне системы, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 вольт.

Как образуется тормозящее поле на поверхности металла?

  1. В результате теплового движения электроны могут отрываться от поверхности металла и образовывать над поверхностью электронное облако.
  2. На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона они стремятся вернуть покинувшие металл электроны обратно.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой.

В вакууме поля вне тормозящего слоя нет, поэтому формулу для работы выхода можно записать в виде:

А=еф,

где φ — выходной потенциал, равный потенциалу поля внутри металла.

Контактная разность потенциалов

Явление контактной разности потенциалов было открыто в 1797 году Алессандро Вольта (1745-1827).

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов – разность потенциалов, возникающая при соприкосновении поверхностей двух разнородных металлов.

  1. Разность потенциалов, возникающая при контакте двух разных металлов, зависит от их химического состава и температуры.
  2. Если цепь состоит из нескольких разных проводников с одинаковой температурой, контактная разность потенциалов определяется только контактной разностью между крайними проводниками.

причины контактной разности потенциалов:

  1. Различные рабочие функции для разных металлов.
  2. Разная концентрация свободных электронов в разных металлах.

Рассмотрим схематически контакт двух металлов. Пусть работа выхода металла 1 больше, чем у металла 2, а концентрация свободных электронов в металле 1 выше.

Между точками а и b, близкими к поверхности, но не принадлежащими проводнику, возникает внешняя контактная разность потенциалов.

Электроны диффундируют от одного металла к другому, а от металла 1 к металлу 2 переходит больше электронов, так как n1>n2. В результате металл 1 приобретает положительный заряд, а металл 2 – отрицательный. Возникающая при этом разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector