Занятие № 111. Контактные явления в металлах. Термоэлектронная эмиссия.

Кафедра

УТВЕРЖДАЮ

Председатель ПМК №2

Р.Исмагилов

«» октября 2014 года

План

ПРОВЕДЕНИЯ ЛЕКЦИИ

по учебной дисциплине «Ф И З И К А»

РАЗДЕЛ VI. Элементы физики твердого тела. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Тема № 24. Электронная эмиссия. Контактные явления в металлах

Занятие № 111. Контактные явления в металлах. Термоэлектронная эмиссия.

I. Учебные цели

Рассмотреть понятие работы выхода электрона из металла и показать к каким термоэлектрическим явлениям приводит контакт двух металлов.

II. Воспитательные цели

Воспитывать навыки активного восприятия материала, умение использо­вать полученные знания, логичности и последовательности мышления.

III. Расчет учебного времени

IV. Учебно-методическое обеспечение

1. Компьютер

2. Проектор

3. Компьютерные презентации

4. Методическая разработка

V. Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, в 5 кн., кн. 5, М., Астрель, 2005г., с. 51 – 68.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования — 19-е изд. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 560 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики: в 4 т. — Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учебное пособие. — 2-е изд., стер. — М.: КНОРУС, 2012. — 368 с.

VI.. Приложение: конспект лекции

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ -испускание эл-нов нагретыми телами в вакуум или др. среду.

Эдисон (1881) при попытке улучшить лампу накаливания обнаружил поток (-) частиц от нити накала.

После открытия Томсона (1896) стало понятно, что это эл-ны.

Исследована Ричардсоном (1900).

3 участка (+ переходные области):

1) i ∼ U^3/2 – закон Богуславского-Ленгмюра при малых (+) напряжениях на аноде, признак существования пространственного заряда электронов около катода

2)ток насыщения I_н при больших (+) напряжениях на аноде, пространственного заряда нет.

3)при U=0 i ≠ 0 и при (-) напряжениях на аноде i ∼ exp(-e|U|/kT), направление тока то же, что при (+) U, соответствует движению эл-нов от катода к аноду.

I_н → I₀ – ток термоэлектронной эмиссии

I₀ = C T² S e^-(W/kT)

S – площадь катода, C – константа (постоянная Ричардсона)

Для плотности тока:

j₀ = C T² e^-(W/kT)

Кон-ция «свободных» эл-нов зоны проводимости кристалла:

Кон-ция в облаке свободных эл-нов над пов-тью кристалла:

Равновесие 2 потоков эл-нов из кристалла в облако (испарение) и из облака в кристалл (конденсация): ν _исп = ν _конд; ν _исп = ν _конд = ¼ n< v> = ¼ n (8kT/π m)^½

j₀ = e ν _исп = C T² e^-(A/kT) т.е. ф-ла Ричардсона-Дешмана

Значения для металлов от 1.8 эВ для Cs до 5.3 эВ для Pt, совпадают с данными из фотоэффекта.

Для п/проводников Е_ф и ⇒ А зависит от:

1)легирования,

2)температуры,

3)состояния поверхности (изгиба зон).

Si: A = (4.3 - 5.3) эВ

Внешняя КРП

eU_к = A₂ – A₁

(+) заряд и потенциал на металле с меньшей работой выхода.

Значения U_к – от дес. долей В до неск. В

В условиях эл. контакта металлов:

Е →, j_дрейф →, j_дифф ←

j_дрейф = j_дифф; e n u E = e D dn/dx

E dx = (D/u) dn/n; E dx = (kT/e) dn/n | ∫

U_к* = (kT/e) ln(n₁/n₂) – внутренняя КРП, разность потенциалов между внутр. точками металлов 1 и 2.

1)В цепочке разных металлов при Т = invar:

U₁₅ = U₁₂ + U₂₃ + U₃₄ + U₄₅ = (kT/e) (ln(n₁/n₅)

КРП определяется только крайними элементами

2)В замкнутой цепочке (напр., 1-2-3-4-5-1) при Т = invar КРП = 0

Эффект Зеебека (термоЭДС) - возникновение ЭДС в замкнутой эл. цепи из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Открыт Т.Зеебеком (1821): e_Т = a(Т₂– Т₁)

a - к-нт Зеебека, дифференциальная ТЭДС

e_Т = U_кВ* - U_кА*

Для металлов n₁, n₂ = const ⇒ n₁/n₂ = const

a = (k/e) ln(n₁/n₂)

(k/e) = 86 мкВ/К ⇒

a - ед. или дес. мкВ/К

Используется в термопарах для измерения t^o (разности температур):

Для п/проводников дополнительно важна зависимость n₁/n₂ от t^o.

для п/п n-типа и для п/п р-типа; α может достигать неск. мВ/К.

Используется в термоэлектр. преобразователях энергии. Отдельные термоэлементы соединяются в батареи. Источники тепла: сжигание топлива,

солнечное излучение, радиоактивный распад.

ЭффектПельтье (1834) – термоэл. явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании тока I через контакт 2 различных проводников на контакте, помимо джоулева тепла, выделяется при одном направлении тока или поглощается при обратном направлении дополнительное тепло Пельтье Q _P:

Q _P = П I Δ t

П – к-нт Пельтье, [П] = В

Ток ← ⇒ поток эл-нов → ⇒ КЭ каждого эл-на ↓ на eU_к* = kT ln(n₁/n₂) ⇒

потеря КЭ восполняется за счет ВЭ ⇒ контакт охлаждается

Ток → ⇒ поток ← ⇒ КЭ эл-на ↑ ⇒ контакт охлаждается

Для п/п р-типа при том же направлении тока холодный и теплый контакты меняются местами.

Используется, напр., в кулерах процессоров.

Эффект Томсона - при пропускании эл. тока через полупроводник (или проводник), вдоль кот. ∃ градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла.

Q_т = τ (Т₁-Т₂) I t

τ – к-нт Томсона

Профессор Насрединов Ф.С.

(Должность, воинское звание, подпись фамилия преподавателя)

«» октября 2014 г.