В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.
Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна :
Wp = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.
21. Контактная разность потенциалов - это разность потенциалов между проводниками, возникающая при соприкосновении двух различных проводников, имеющих одинаковую температуру.
При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Разность потенциалов между точками находящимися вне проводников, вблизи их поверхности называется контактной разностью потенциалов. Так как проводники находятся при одинаковой температуре, то в отсутствие приложенного напряжения поле может существовать только в пограничных слоях (Правило Вольта). Различают внутреннюю разность потенциалов (при соприкосновении металлов) и внешнюю (в зазоре). Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых долей вольта до единиц вольт.
Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектричсского эффекта, сущность которого заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных металлов между их свободнымн концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Если замкнуть такой термоэлемент (термопару) на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток (рис. 1). Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Величина термоэлектродвижущей силы определяется приближенно по формуле Е = а(Т1 – Т2)
22. Магни́тное по́ле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля
Движущийся заряд q , создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого
где – скорость электрона, – расстояние от электрона до данной точки поля, μ – относительная магнитная проницаемость среды, μ 0 = 4π ·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная.
Магни́тная инду́кция - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся со скоростью.
Более конкретно, - это такой вектор, что сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на заряд, движущийся со скоростью, равна
23. По закону Био-Савара-Лапласа элемент контура dl , по которому течет ток I , создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого в некоторой точке K
где – расстояние от точки K до элемента тока dl , α – угол между радиус-вектором и элементом тока dl .
Направление вектора можно найти по правилу Максвелла (буравчика): если ввинчивать буравчик с правой резьбой по направлению тока в элементе проводника, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции .
Применяя закон Био-Савара-Лапласа к контурам различного вида, получим:
· в центре кругового витка радиуса R с током силой I магнитная индукция
· магнитная индукция на оси кругового тока 
где a
– расстояние от точки, в которой ищется B
до плоскости кругового тока,
· поле, созданное бесконечно длинным проводником с током, на расстоянии r от проводника
· поле, созданное проводником конечной длины, на расстоянии r
от проводника (рис. 15) 
· поле внутри тороида или бесконечно длинного соленоида n – число витков на единицу длины соленоида (тороида)
Вектор магнитной индукции связан с напряженностью магнитного поля соотношением
Объемная плотность энергии магнитного поля:
25 .На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле c индукцией B со скоростью υ , со стороны магнитного поля действует сила называемая силой Лоренца
причем модуль этой силы равен 
.
Направление силы Лоренца может быть определено по правилу левой руки : если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца
26 .Принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц.
Независимость периода вращения T заряженной частицы в магнитном поле была использована американским ученым Лоуренсом в идеи циклотрона - ускорителе заряженных частиц.
Циклотрон состоит из двух дуантов D 1 и D 2 - полых металлических полуцилиндров, помещенных в высокий вакуум. Ускоряющее электрическое поле создается в зазоре между дуантами. Заряженная частица попадая в этот зазор увеличивает скорость движения и влетает в пространство полуцилиндра (дуанта). Дуанты помещаются в постоянное магнитное поле, и траектория частицы внутри дуанта будет искривляться по окружности. Когда частица во второй раз войдет в зазор между дуантами, полярность электрического поля изменяется и оно снова становится ускоряющим. Увеличение скорости сопровождается увеличением радиуса траектории. Практически к дуантам прикладывается переменное поле с частотой ν= 1/T=(B/2π)(q/m) . Скорость частицы каждый раз увеличивается в промежутке между дуантами под действием электрического поля.
27.Сила Ампера это сила, которая действует на проводник, по которому течет ток I , находящийся в магнитном поле
Δl – длина проводника, причем направление совпадает с направлением тока в проводнике.
Модуль силы Ампера: 
.
Два параллельных бесконечно длинных прямолинейных проводника с токами I 1 и I 2 взаимодействуют между собой с силой
где l – длина участка проводника, r – расстояние между проводниками.
28. Взаимодействие параллельных токов − закон Ампера
Теперь без труда можно получить формулу для вычисления силы взаимодействия двух параллельных токов.
Итак, по двум длинным прямым параллельным проводникам (рис. 440), находящимся на расстоянии R друг от друга (которое во много, раз в 15 меньше длин проводников), протекают постоянные токи I 1 , I 2 .
В соответствии с полевой теорией взаимодействие проводников объясняется следующим образом: электрический ток в первом проводнике создает магнитное поле, которое взаимодействует с электрическим током во втором проводнике. Чтобы объяснить возникновение силы, действующей на первый проводник, необходимо проводники «поменять ролями»: второй создает поле, которое действует на первый. Повращайте мысленно правый винт, покрутите левой рукой (или воспользуйтесь векторным произведением) и убедитесь, что при токах текущих в одном направлении, проводники притягиваются, а при токах, текущих в противоположных направлениях, проводники отталкиваются1.
Таким образом, сила, действующая на участок длиной Δl второго проводника, есть сила Ампера, она равна
где B1 − индукции магнитного поля, создаваемого первым проводником. При записи этой формулы учтено, что вектор индукции B1 перпендикулярен второму проводнику. Индукция поля, создаваемого прямым током в первом проводнике, в месте расположения второго, равна
Из формул (1), (2) следует, что сила, действующая на выделенный участок второго проводника, равна
29. Виток с током в магнитном поле.
Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) с током и расположить его вертикально то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы F, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М, который вызовет поворот витка, в данном случае по часовой стрелке. Этот момент
где D - расстояние между сторонами витка.
Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (рис. 50, б). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил возможно больший магнитный поток.
Магни́тный моме́нт, магни́тный дипо́льный моме́нт - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества (источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки; элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток). Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина.
30. Магниитный поток - физическая величина, равная плотности потока силовых линий, проходящих через бесконечно малую площадку dS. Поток Ф в как интеграл вектора магнитной индукции В через конечную поверхность S Определяется через интеграл по поверхности.
31. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
Рассмотрим контур с током, образованный неподвижными проводами и скользящей по ним подвижной перемычкой длиной l (рис. 2.17). Этот контур находится во внешнем однородном магнитном поле, перпендикулярном к плоскости контура.
На элемент тока I (подвижный провод) длиной l действует сила Ампера, направленная вправо:
Пусть проводник l переместится параллельно самому себе на расстояние dx. При этом совершится работа:
dA=Fdx=IBldx=IBdS=IdФ
Работа, совершаемая проводником с током при перемещении, численно равна произведению тока на магнитный поток, пересечённый этим проводником.
Формула остаётся справедливой, если проводник любой формы движется под любым углом к линиям вектора магнитной индукции.
32. Намагничивание вещества . Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничеваются т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции в вакууме.
Магнитный момент атома слагается из орбитальных и собственных моментов входящих в его состав электронов, а также из магнитного момента ядра (который обусловлен магнитными моментами входящих в состав ядра элементарных частиц – протонов и нейтронов). Магнитный момент ядра значительно меньше моментов электронов; поэтому при рассмотрении многих вопросов им можно пренебречь и считать, что магнитный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов электронов. Магнитный момент молекулы также можно считать равным сумме магнитных моментов входящих в её состав электронов.
Таким образом, атом представляет собой сложную магнитную систему, а магнитный момент атома в целом, равен векторной сумме магнитных моментов всех электронов
Магнетикам и называют вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. способные к созданию собственного магнитного поля. Собственное же поле веществ зависит от магнитных свойств их атомов. В этом смысле магнетики являются магнитными аналогами диэлектриков.
По классическим представлениям атом состоит из электронов, движущихся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра, состоящего, в свою очередь, из протонов и нейтронов.
Магнетиками являются все вещества, т.е. все вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле, но характер и степень намагничивания у них разные. В зависимости от этого все магнетики делятся на три вида: 1) диамагнетики; 2) парамагнетики; 3) ферромагнетики.
Диамагнетики . - ним относятся многие металлы (например, медь, цинк, серебро, ртуть, висмут), большинство газов, фосфор, сера, кварц, вода, подавляющее большинство органических соединений и т.д.
Для диамагнетиков характерны следующие свойства:
2) собственное магнитное поле направлено против внешнего и немного ослабляет его (m<1);
3) нет остаточного магнетизма (собственное магнитное поле диамагнетика исчезает после снятия внешнего поля).
Первые два свойства говорят о том, что относительная магнитная проницаемость mдиамагнетиков лишь немного меньше 1. Например, самый сильный из диамагнетиков – висмут – имеетm=0,999824.
Парамагнетики - ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, вольфрам, платина, кислород и т.д.
Для парамагнетиков характерны следующие свойства:
1) очень слабое намагничивание во внешнем магнитном поле;
2) собственное магнитное поле направлено по внешнему и немного усиливают его (m>1);
3) нет остаточного магнетизма.
Из первых двух свойств следует, что значение mлишь немного больше 1. Например, для одного из самых сильных парамагнетиков – платины – относительная магнитная проницаемостьm=1,00036.
33.Ферромагнетики - ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами. Все эти вещества обладают ферромагнитными свойствами только в кристаллическом состоянии.
Для ферромагнетиков характерны следующие свойства:
1) очень сильное намагничивание;
2) собственное магнитное поле направлено по внешнему и значительно усиливает его (значения mлежат в пределах от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч);
3) относительная магнитная проницаемость mзависит от величины намагничивающего поля;
4) есть остаточный магнетизм.
Домен - макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности или вектора антиферромагнетизма (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным - строго упорядоченным - образом повернута или сдвинута, то есть поляризована, относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах.
Домены - это образования, состоящие из огромного числа [упорядоченных] атомов и видимые иногда невооружённым глазом (размеры порядка 10−2 см3).
Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.
Точка Кюри, или температура Кюри, - температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной - в ферромагнетиках, электрической - в сегнетоэлектриках, кристаллохимической - в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре Т ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T=Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при T=Q (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при T=Q тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой.
Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах (в определенном интервале температур), например в ферромагнетиках, обычно разбитых на домены области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитный момент единицы объема) одинакова, но направления различные.
Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до насыщения, при этом он состоит из одного домена с намагниченностью насыщения JS, направленной вдоль внешнего поля H.
Типичная зависимость намагниченности от магнитного поля в случае гистерезиса
34. Магнитного поля Земли
Как известно, магнитным полем называется особый вид силового поля, оказывающего воздействие на тела, обладающие магнитными свойствами, а также на движущиеся электрические заряды. В определённой степени магнитное поле можно считать особой разновидностью материи, которая передаёт информацию между электрическими зарядами и телами с магнитным моментом. Соответственно, магнитное поле Земли это такое магнитное поле, которое создаётся за счёт факторов, связанных с функциональными особенностями нашей планеты. То есть геомагнитное поле создаётся самой Землёй, а не внешними источниками, хотя последние оказывают на магнитное поле планеты определённое воздействие.
Таким образом, свойства магнитного поля Земли неизбежно зависят от особенностей его происхождения. Основной теорией, объясняющей возникновения этого силового поля, связано с течением токов в жидком металлическом ядре планеты (температура у ядра настолько высока, что металлы пребывают в жидком состоянии). Энергия магнитного поля Земли порождается так называемым механизмом гидромагнитного динамо, который обусловлен разнонаправленностью и асимметрией электрических токов. Они порождают усиление электрических разрядов, что ведёт к выделению тепловой энергии и возникновению новых магнитных полей. Любопытно, что механизм гидромагнитного динамо обладает способностью к «самовозбуждению», то есть активная электрическая деятельность внутри земного ядра постоянно генерирует геомагнитное поле без внешнего воздействия.
35. Намагни́ченность - векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества:
Здесь, M - вектор намагниченности; - вектор магнитного момента; V - объём.
В общем случае (случае неоднородной, по тем или иным причинам, среды) намагниченность выражается как
и является функцией координат. Где есть суммарный магнитный момент молекул в объеме dV Связь между M и напряженностью магнитного поля H в диамагнитных и парамагнитных материалах, обычно линейна (по крайней мере, при не слишком больших величинах намагничивающего поля):
где χm называют магнитной восприимчивостью. В ферромагнитных материалах нет однозначной связи между M и H из-за магнитного гистерезиса и чтобы описать зависимость используют тензор магнитной восприимчивости.
Напряжённость магни́тного по́ля (стандартное обозначение Н) - векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.
В Международной системе единиц (СИ): H = (1/µ 0)B - M где µ 0 - магнитная постоянная.
Магнитная проницаемость - физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией B и напряжённостью магнитного поля H в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая ее состав, состояние, температуру и т. д.).
Обычно обозначается греческой буквой µ . Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).
В общем, связь соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как
и в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответству
Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обусловливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда.
Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 60.1; кружки - ионы, черные точки - электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла.
Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, ндет на увеличение потенциальной энергии электрона
Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы (рис. 60.2). Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.
Потенциальная энергия электрона и потенциал той точки, в которой находится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности (мы будем для краткости говорить просто «на поверхности»), на величину
Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рис. 60.3, а).
Напомним, что за начало отсчета приняты значения потенциала и потенциальной энергии на бесконечности. Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 60.3, б).
Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. В § 51 было выяснено, что при абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем Ферми энергии Етах. На рис. 60.4 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить не одинаковую энергию.
Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия
Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работу выхода принято обозначать через где Ф - величина, называемая потенциалом выхода.
В соответствии со сказанным выше, работа выхода электрона из металла определяется выражением
Мы получили это выражение в предположении, что температура металла равна 0 К. При других температурах работу выхода также определяют как разность глубины потенциальной ямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (60.1) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников.
Уровень Ферми зависит от температуры (см. формулу (52.10)). Кроме того, из-за обусловленного тепловым расширением изменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубина потенциальной ямы Это приводит к тому, что работа выхода немного зависит от температуры.
Работа выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте. Подобрав надлежащим образом покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Са, Sr, Ва) снижает работу выхода с 4,5 эВ (для чистого W) до 1,5-2.
Уже отмечалось, при переходе границы раздела между проводником и вакуумом скачком изменяются напряженность и индукция электрического поля. С этим связаны специфические явления. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом (рис. 6.1).
Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов (). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке 6.2.
В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма, так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W 0 . Это энергия притяжения Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу
| (6.1.1) |
Эту работу называют работой выхода электрона из
металла
. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную
энергию 
Термоэлектронная эмиссия
Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией .
В классической термодинамике металл представляют в виде ионной решетки, заключающей в себе электронный газ. Считают, что сообщество свободных электронов подчиняется законам идеального газа. Следовательно, в соответствии с распределением Максвелла при температуре, отличной от 0 К, в металле есть какое-то количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.
Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую средуназываетсятермоэлектронной эмиссией . Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности (рис.6.1). Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Этими двумя и, возможно, другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.
Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. Эдисоном, знаменитым американским изобретателем. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током (рис. 6.3). Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I н. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода . Величина тока анода не пропорциональна U , и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.
На рисунке 6.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I a (U a ). Здесь U з – задерживающее напряжение при котором I = 0.
Холодная и взрывная эмиссия
Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной . Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие
| (6.1.2) |
здесь d
– толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно
у чистых металлов и При 
получим На практике же холодная
эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение
относят на счет несостоятельности классических представлений для описания
процессов на микроуровне.
Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна
При и , что приведет к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U . При этом катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной.
С помощью автоэлектронной эмиссии
принципиально возможно получение плотности тока 
но для этого нужны
эмиттеры в виде совокупности большого числа острий, идентичных по форме (рис.
6.4), что практически
невозможно, и, кроме того, увеличение тока до 10 8 А/см 2 приводит к взрывообразному разрушению острий и всего эмиттера.
Плотность тока АЭЭ в условиях влияния объемного заряда равна (закон Чайльда-Ленгмюра)
где 
– коэффициент
пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода.
Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).
Током автоэлектронной эмиссии при концентрации энергии в микрообъемах катода до 10 4 Дж×м –1 и более (при общей энергии 10 -8 Дж) может инициироваться качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде (рис. 6.4).
При этом появляется ток электронов, который на порядки превосходит начальный ток – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.
ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2 .
 |  |
|
| Рис. 6.4 | Рис. 6.5 |
Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 10 11 ¸ 10 12 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre ») (рис. 6.5). Время образования лавин 10 -9 ¸ 10 -8 с.
Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.
Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.
Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 10 13 Вт и более при длительности импульсов 10 -10 ¸ 10 -6 с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов 10 4 ¸ 10 7 эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.
Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект ) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.
Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны изображенным на рисунке 6.3. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или γ-квантов (рис. 6.6).
Закономерности фотоэффекта еще в большей степени не согласуются с классической теорией, чем в случае холодной эмиссии. По этой причине мы рассмотрим теорию фотоэффекта при обсуждении квантовых представлений в оптике.
В физических приборах, регистрирующих γ – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ ). Схема прибора приведена на рисунке 6.7.
В нем используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию , которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК ). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС 1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. Таким образом, умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.
Работа выхода
энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной Р. в. Следовательно, Р. в. является мерой связи электрона с конденсированной средой; чем меньше Р. в., тем легче происходит эмиссия электронов. Поэтому, например, плотность тока термоэлектронной эмиссии (См. Термоэлектронная эмиссия) или автоэлектронной эмиссии (см. Туннельная эмиссия) экспоненциально зависит от Р. в. Р. в. наиболее полно изучена для проводников, особенно для металлов (См. Металлы). Она зависит от кристаллографической структуры поверхности. Чем плотнее «упакована» грань кристалла, тем выше Р. в. φ. Например, для чистого вольфрама φ = 4,3 эв
для граней {116} и 5,35 эв
для граней {110}. Для металлов возрастание (усреднённых по граням) φ приблизительно соответствует возрастанию потенциала ионизации. Наименьшие Р. в. (2 эв
) свойственны щелочным металлам (Cs, Rb, К), а наибольшие (5,5 эв
) -
металлам группы Pt. Р. в. чувствительна к дефектам структуры поверхности. Наличие на плотноупакованной грани собственных неупорядоченно расположенных атомов уменьшает φ. Ещё более резко φ зависит от поверхностных примесей: электроотрицательные примеси (кислород, галогены, металлы с φ,
большей, чем φ подложки) обычно повышают φ, а электроположительные - понижают. Для большинства электроположительных примесей (Cs на W, Tn на W, Ba на W) наблюдается снижение Р. в., которая достигает при некоторой оптимальной концентрации примесей n
oпт минимального значения, более низкого, чем φ основного металла; при n
≈ 2n
oпт Р.
в. становится близкой к φ металла покрытия и далее не изменяется (см. рис.
). Величине n
oпт соответствует упорядоченный, согласованный со структурой подложки слой атомов примеси, как правило, с заполнением всех вакантных мест; а величине 2n
oпт - плотный моноатомный слой (согласование со структурой подложки нарушено). Т. о., Р. в. по крайней мере для материалов с металлической электропроводностью определяется свойствами их поверхности. Электронная теория металлов рассматривает Р. в. как работу, необходимую для удаления электрона с Ферми уровня в вакуум. Современная теория не позволяет пока точно вычислить φ для заданных структур и поверхностей. Основные сведения о значениях φ даёт эксперимент. Для определения φ используют эмиссионные или контактные явления (см. Контактная разность потенциалов).
Знание Р. в. существенно при конструировании электровакуумных приборов (См. Электровакуумные приборы), где используется эмиссия электронов или ионов, а также в таких, например, устройствах, как термоэлектронные преобразователи (См. Термоэлектронный преобразователь) энергии. Лит.:
Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969. В. Н. Шредник.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Работа выхода" в других словарях:
Разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон… … Википедия
Энергия Ф, к рую необходимо затратить для удаления эл на из твёрдого или жидкого в ва в вакуум (в состояние с равной нулю кинетич, энергией). Р. в. Ф=еj, где j потенциал Р. в., е абс. величина электрич. заряда электрона. Р. в. равна разности… … Физическая энциклопедия
работа выхода - электрона; работа выхода Работа, соответствующая разности энергий между уровнем химического потенциала в теле и уровнем потенциала вблизи поверхности тела вне его при отсутствии электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь
Работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и Ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Большой Энциклопедический словарь
РАБОТА ВЫХОДА, энергия, затрачиваемая на удаление электрона из вещества. Учитывается при ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ и в ТЕРМОЭЛЕКТРОНИКЕ … Научно-технический энциклопедический словарь
работа выхода - Энергия, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Ферми в данном материале. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика
работа выхода - энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной работе выхода; чем меньше работа выхода, тем… … Энциклопедический словарь по металлургии
работа выхода - Work Function Работа выхода Минимальная энергия (обычно измеряемая в электрон вольтах), которую необходимо затратить для удаления электрона из объема твёрдого тела. Электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Энциклопедический словарь
работа выхода - išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. work function vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
работа выхода - išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. work function; work of emission; work of exit vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. работа выхода, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas
Формула работа выхода электронов
В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.
Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:
W p = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.
При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.
В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.
A вых = eφ
Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.
Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми E F . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.
A вых = eφ" - E F
где φ" – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.
Таблица работа выхода электронов из простых веществ
В таблице приведены значения работы выхода электронов, относящихся к поликристаллическим образцам, поверхность которых очищена в вакууме прокаливанием или механической обработкой. Недостаточно надежные данные заключены в скобки.
|
Вещество |
Формула вещества |
Работа выхода электронов (W, эВ) |
|
алюминий |
||
|
бериллий |
||
|
углерод (графит) |
||
|
германий |
||
|
марганец |
||
|
молибден |
||
|
палладий |
||
|
празеодим |
||
|
олово (γ-форма) |
||
|
олово (β-форма) |
||
|
стронций |
||
|
вольфрам |
||
|
цирконий |