Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.

При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум). При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле после их вылета, и против сил отталкивания от электронов, вылетевших ранее. С ростом Т количество электронов, имеющих достаточную кинетическую энергию и покидающих металл, увеличивается.

Вблизи поверхности возникает «электронное облако», которое вместе с по­верхностным слоем положительных ионов образует двойной электрический слой толщиной 10^-10-10^{-9 м. Поле этого слоя препятствует выходу следующих электронов. Разность потенциалов} Dj слоя называется поверхностным скачком потенциала. Работу, которую должен совершить электрон при выходе из металла, называют ра­бо­той выхода А: . Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах (эВ). 1эВ - работа пере­мещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1В (1эВ=1.6×10^-19 Дж). Работа выхода электрона зависит от химической природы ме­талла и чистоты его поверхности и не зависит от температуры. Для чистых ме­таллов величина работы порядка нескольких эВ.

В 1797 г. итальянский физик Вольта обнаружил сходное явление и при контакте двух металлов, он установил, что при со­при­косновении двух разнородных металлов между ними возникает разность по­тенциалов, зависящая от их химического состава и температуры (первый за­кон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.

Рис.3.1.Контакт двух различных ме­таллов.

Для объяснения этого явления рассмотрим контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих работы выхода А₁ и А₂, причем А₁<А₂. Очевидно, что свободным электронам второго металла труднее покинуть его пределы, чем электронам первого металла. Поэтому при хаотическом тепловом движении количество свободных электронов, переходящих из первого ме­талла во второй в единицу времени будет больше, чем из второ­го в первый. В результате этого первый металл зарядится поло­жи­тельно, второй - отрицательно (рис.3.1). Возникающая разность потенциалов создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейший переход электронов из 1 в 2. Передвижение электронов прекратится, когда разность потенциалов поля станет такой величины, что работа по пере­ме­щению электрона внутри поля сравняется с разно­стью работ выхода: или , где е - абсолютная величина заряда электрона. Значение составляет обычно около 1В.

Второй причиной появления контактной разности потенциалов между метал­лами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n₀₁ и n₀₂. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, кото­рый подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно: , где - концентрация молекул, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная темпера­тура. Пусть > , тогда р₁>р₂, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направле­нии. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электриче­с­кое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результа­те этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теорети­ческий расчет возникающей разности потенциалов показал, что она зави­сит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна . При комнатной температуре значение имеет порядок 10^-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возника­ет контактная разность потенциалов .

На основании опытных данных Вольтой был установлен второй закон: раз­ность потенциалов на концах разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой тем­пературе, равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников.Пусть цепь состоит из четырех разнородных проводников, имеющих одинако­вую температуру. Сумма контактных разностей потенциалов соприкасающихся пар будет равна , то есть не зависит от промежуточных проводников 2 и 3.

Контактная электризация тел, т.е. возникновение между телами контактной разности потенциалов, встречается довольно часто и не только у металлов. Напри­мер, ею обусловлена электризация тел в процессе трения. При контакте двух ди­электриков внешние электроны атомов, расположенных у поверхности соприкосно­вения, пере­ходят преимущественно на диэлектрик с меньшей диэлектрической проницаемостью e, то есть на диэлектрик, у которого внешние электроны прочнее связаны со своими атомами. При последующем разделении тел, одно из них (с большим значением e) заряжается по­ложительно, другое - отрицательно. Контактная электризация имеет место в коллоидных растворах: жидкость и взвешенные в ней твердые частицы имеют заряды разного знака. При воздействии на коллоидный раствор электрическим полем, взвешенные частицы начинают дви­гаться вдоль силовых линий поля. Это явление называется электрофорезом. Элек­трофорез широко используется для выделения эмульсий из нефти, очистки фрукто­вых соков, удаления пыли и дыма из воздуха, разделения сложных белковых систем на компо­ненты и т.п.

Контактной электризацией обусловлено и явление электроосмоса: перемеще­ние жидкости в неподвижном пористом теле, помещенном в электрическое поле. Электроосмос применяется для сушки (холодная электросушка) волокнистых и по­ристых веществ, очистки воды, обезвоживания торфа и глины. Контактная разность потенциалов играет важную роль в работе электроваку­ум­ных приборов.