§ 19. Напряжённость электростатического поля. Принцип суперпозиции
Для изучения свойств электростатического поля удобно использовать такую его характеристику, которая не зависит от числового значения пробного заряда и позволяет определить силу, действующую на заряд со стороны поля в любой его точке. Для гравитационного поля такой характеристикой, не зависящей от массы тела, является ускорение свободного падения . Какая физическая величина является характеристикой электростатического поля?
Напряжённость электростатического поля. Пусть электростатическое поле создано в вакууме точечным зарядом Q > 0. Если в некоторую точку поля поместить пробный положительный заряд q, на него будет действовать кулоновская сила отталкивания, модуль которой .
Сила не может служить характеристикой поля, так как её модуль пропорционален значению пробного заряда q. Однако отношение модуля силы, которой электростатическое поле точечного заряда Q действует на пробный заряд q, не зависит от значения пробного заряда:
(19.1)
и, следовательно, может служить характеристикой поля.
Эту характеристику называют напряжённостью электростатического поля и обозначают . Напряжённость характеризует силовое действие поля на вносимые в него заряды.
Напряжённость электростатического поля — физическая векторная величина, равная отношению силы, которой поле действует на пробный заряд, к значению этого заряда:
(19.2)
С учётом выражений (19.1) и (19.2) можно определить модуль напряжённости электростатического поля, созданного точечным зарядом Q, в точке, находящейся на расстоянии r от него:
Таким образом, модуль напряжённости поля, создаваемого в вакууме точечным зарядом, прямо пропорционален модулю этого заряда и обратно пропорционален квадрату расстояния между зарядом и точкой, в которой определяют значение напряжённости.
Если заряд Q находится в однородной среде с диэлектрической проницаемостью ε, то модуль напряжённости поля .
Из выражения следует, что единицей напряжённости электростатического поля в СИ является ньютон на кулон . В СИ широко используют другое название этой единицы — вольт на метр .
Зная напряжённость электростатического поля, можно определить силу, действующую на любой точечный заряд в любой точке этого поля:
(19.3)
Рис. 104
Напряжённость поля, как и сила, величина векторная. Направление напряжённости поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный электрический заряд. Напряжённость в любой точке электростатического поля точечного заряда направлена вдоль прямой, соединяющей эту точку и точечный заряд, создающий поле. Напряжённость поля, созданного точечным положительным зарядом Q > 0, направлена от заряда, а напряжённость поля, созданного точечным отрицательным зарядом Q < 0, — к заряду (рис. 104).
От теории к практике
Рис. 105
1. Как изменится модуль напряжённости в некоторой точке поля, созданного точечным зарядом Q, если: а) расстояние r от заряда до этой точки увеличить вдвое; б) заряд Q увеличить вдвое, а расстояние r от заряда до этой точки уменьшить вдвое?
2. Как направлена в точке А напряжённость поля, созданного неподвижным точечным зарядом (рис. 105)? Чему равен модуль напряжённости поля в этой точке?
Рис. 105.1
Модуль напряжённости поля уединённой проводящей сферы радиусом R, заряд которой Q (рис. 105.1), в точках на её поверхности r = R и вне сферы на расстоянии r > R от её центра определяют по формуле . В точках, находящихся внутри проводящей сферы r < R, напряжённость равна нулю , если внутри этой сферы нет электрических зарядов.
Напряжённость электростатического поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной плоскостью, одинакова во всех точках полупространства с каждой стороны от плоскости (при этом ), а её модуль
где S — площадь некоторого участка плоскости, — модуль заряда этого участка (рис. 105.2).
Рис. 105.2
Интересно знать
Кроме гравитационного поля у Земли есть электрическое и магнитное поля. Модуль напряжённости электрического поля у поверхности Земли в среднем составляет . Электрическое поле Земли меняется во времени. Избыточный отрицательный электрический заряд земного шара колеблется около –6 · 105 Кл.
Связь энергии магнитного поля и его основных характеристик
На примере длинного соленоида можно рассмотреть проявление энергии магнитного поля. Предположим, что поля является однородным и сосредоточено внутри соленоида. В таком случае, для нахождения силы тока можно воспользоваться формулой:
\(I=\frac{Hl}{N}\)
Здесь H — напряженность магнитного поля соленоида; l — длина соленоида; N — число витков соленоида.
В случае эксперимента с соленоидом:
\(L=\mu \mu _{0}n^{2}Sl\)
Здесь \(\mu\) — магнитная проницаемость сердечника соленоида; S — площадь сечения соленоида; n=Nl.
Таким образом:
\(E_{m}=\frac{\mu \mu _{0}N^{2}Sl}{2l^{2}}\frac{H^{2}l^{2}}{N^{2}}=\mu \mu _{0}\frac{H^{2}}{2}Sl=\mu \mu _{0}\frac{H^{2}}{2}V\)
Как правило, роль энергетической характеристики магнитного поля играет такой параметр, как плотность энергии магнитного поля:
\(\omega =\frac{E_{m}}{V}=\mu \mu _{0}\frac{H^{2}}{2}\)
Данное выражение справедливо в случае любого магнитного поля, несмотря на характер его происхождения. Формула определяет энергию магнитного поля в единице его объема. Если имеется магнитоизотропная среда, то уравнение можно преобразовать, таким образом:
\(\vec{B}=\mu \mu _{0}\vec{H}\)
Следовательно:
\(\omega =\frac{BH}{2}\)
В случае неоднородного магнитного поля целесообразно разбить его на элементарные объемы (dV), то есть малые объемы, в которых магнитное поле считается однородным. Энергия магнитного поля, заключенная в рассматриваемых объемах, составляет:
\(dE_{m}=\omega dV\)
При этом суммарная энергия магнитного поля равна:
\(E_{m}=\int_{V}^{}{\omega dV}\)
Интегрированию в данном случае подлежит весь объем, занимаемый магнитным полем.
От чего зависит величина
Существует ряд некоторых ограничений в применении формулы для расчета энергии магнитного поля. При записи выражения выполнялось несколько условий:
- индуктивность контура, а также магнитная проницаемость вещества стабильны;
- вся энергия источника тока трансформируется в энергию магнитного поля.
Перечисленные условия справедливы лишь в случае вакуума, то есть при \(\mu\)=1
Если контур с током поместить в вещество, то необходимо принимать во внимание следующие параметры:
- намагничивание вещества, что способствует его нагреву;
- объем и плотность вещества в магнитном поле могут изменяться даже при стабильной температуре.
Таким образом, магнитная проницаемость вещества \(\mu\), изменяющаяся при перепадах температуры и плотности среды, не может оставаться постоянной в процессе намагничивания. Также работа источника ЭДС не полностью трансформируется в энергию магнитного поля. В том случае, когда объем вещества изменяется в малой степени, сохраняется стабильной температура среды, внешняя работа затрачивается на увеличение энергии магнитного поля \(E_{m}\) и на теплоотдачу Q, чтобы поддерживать постоянную температуру.
Работа внешних сил, в нашем случае источника тока, совершаемая над телом при квазистатическом изотермическом процессе, соответствует увеличению свободной энергии тела. Таким образом, формула определяет часть свободной энергии намагниченного вещества, которая обладает связью с магнитным полем:
\(\omega =\frac{E_{m}}{V}=\mu \mu _{0}\frac{H^{2}}{2}\)
При малом количестве теплоты Q, относительно энергии поля \(E_{m}\), справедливо равенство:
\(-E_{m}=A_{i}\)
Согласно условию стабильности магнитной проницаемости вещества, выполняется линейная зависимость:
\(\vec{B}=\mu \mu _{0}\vec{H}\)
Выражение применимо при рассмотрении ситуаций в условиях вакуума для парамагнетиков и диамагнетиков. Но при опытах с ферромагнетиками магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны нелинейно, даже при T=const.
Сила порождаемая электрическими зарядами
Напряженность электрического поля является векторной величиной, а значит имеет численную величину и направление. Величина напряженности электрического поля имеет свою размерность, которая зависит от способа ее вычисления.
Электрическая сила взаимодействия зарядов описывается как бесконтактное действие, а иначе говоря имеет место дальнодействие, то есть действие на расстоянии. Для того, чтобы описать такое дальнодействие удобно ввести понятие электрического поля и с его помощью объяснить действие на расстоянии.
Давайте возьмем электрический заряд, который мы обозначим символом Q. Этот электрический заряд создает электрическое поле, то есть он является источником действия силы. Так как во вселенной всегда имеется хотя бы один положительный и хотя бы один отрицательный заряд, которые действую друг на друга на любом, даже бесконечно далеком расстоянии, то любой заряд является источником силы, а значит уместно описание создаваемого ими электрического поля. В нашем случае заряд Q является источником электрического поля и мы будем его рассматривать именно как источник поля.
Напряженность электрического поля источника заряда может быть измерена с помощью любого другого заряда, находящегося где-то в его окрестностях. Заряд, который используется для измерения напряженности электрического поля называют пробным зарядом, так как он используется для проверки напряженности поля. Пробный заряд имеет некоторое количество заряда и обозначается символом q.
При помещении пробного заряда в электрическое поле источника силы (заряд Q), пробный заряд будет испытывать действие электрической силы — или притяжения, или отталкивания. Силу можно обозначить как это обычно принять в физике символом F. Тогда величину электрического поля можно определить просто как отношение силы к величине пробного заряда.
Если напряженность электрического поля обозначается символом E, то уравнение может быть переписано в символической форме как
Стандартные метрические единицы измерения напряженности электрического поля возникают из его определения. Таким образом напряженность электрического поля определяется как сила равная 1 Ньютону (Н) деленному на 1 Кулон (Кл). Напряженность электрического поля измеряется в Ньютон/Кулон или иначе Н/Кл. В системе СИ также измеряется в Вольт/метр. Для понимания сути такого предмета как напряженность электрического поля гораздо важнее размерность в метрической системе в Н/Кл, потому как в такой размерность отражается происхождение такой характеристики как напряженность поля. Обозначение в Вольт/Метр делает понятие потенциала поля (Вольт) базовым, что в некоторых областях удобно, но не во всех.
В приведенном выше примере участвуют два заряда Q (источник) и q пробный. Оба этих заряда являются источником силы, но какой из них следует применять в вышеприведенной формуле? В формуле присутствует только один заряд и это пробный заряд q (не источник).
Напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда q. На первый взгляд это может привести вас в замешательство, если, конечно, вы задумаетесь над этим. Беда в том, что не все имеют полезную привычку думать и пребывают в так называемом блаженном невежестве. Если вы не думаете, то и замешательства такого рода у вас и не возникнет. Так как же напряженность электрического поля не зависит от q, если q присутствует в уравнении? Отличный вопрос! Но если вы подумаете об этом немного, вы сможете ответить на этот вопрос. Увеличение количества пробного заряда q — скажем, в 2 раза — увеличится и знаменатель уравнения в 2 раза. Но в соответствии с Законом Кулона, увеличение заряда также увеличит пропорционально и порождаемую силу F. Увеличится заряд в 2 раза, тогда и сила F возрастет в то же количество раз. Так как знаменатель в уравнении увеличивается в два раза (или три, или четыре), то и числитель увеличится во столько же раз. Эти два изменения компенсируют друг друга, так что можно смело сказать, что напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда.
Таким образом, независимо от того, какого количества пробный заряд q используется в уравнении, напряженность электрического поля E в любой заданной точке вокруг заряда Q (источника) будет одинаковой при измерении или вычислении.
ЭДС
Разность потенциалов и электродвижущая сила
Тело можно наэлектризовать (т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов или отнять их), тогда оно станет обладать электрическим потенциалом или просто потенциалом тела. В результате, тело, заряженное положительно, станет обладать положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, — отрицательным потенциалом.
Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов. Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов. Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.
Говоря о разности потенциалов, мы имеем в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела. Так, например, приложим внешнюю силу к куску медной проволоки, под действием которой свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместятся к одному ее концу. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов. Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.
Для поддержания электрического тока в проводнике необходим внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника. Протекание электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или других видов энергии в электрическую. Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.
Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи. Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна
E=A/q
За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается вольт (в). Источник электрической энергии обладает эдс в 1 вольт, если при перемещении по всей замкнутой цепи заряда в 1 кулон совершается работа, равная 1 джоулю. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна.
Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.
При изменении тока I в контуре пропорционально меняется и магнитный поток B через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС E. Это явление и называется самоиндукцией.
Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь его частным случаем.
https://electricalschool.info/main/osnovy/390-pro-raznost-potencialov.html
https://jamshyt.ru/wnopa/f/?p=21
https://ru.wikipedia.org/
Электрическая емкость. Конденсатор
Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.
Обозначение – \( C \), единица измерения в СИ – фарад (Ф).
Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.
Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:
Формула для вычисления электроемкости:
где \( q \) – заряд проводника, \( \varphi \) – его потенциал.
Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.
Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.
Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.
Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:
где \( q \) – модуль заряда одной из обкладок,
\( U \) – разность потенциалов между обкладками.
Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.
Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью \( S \), находящиеся на расстоянии \( d \) друг от друга.
Электроемкость плоского конденсатора:
где \( \varepsilon \) – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,\( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.
На электрической схеме конденсатор обозначается:
Виды конденсаторов:
- по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
- по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
- по электроемкости – постоянной и переменной емкости.
Конденсаторы можно соединять между собой.
Параллельное соединение конденсаторов
При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:
Общая емкость:
Последовательное соединение конденсаторов
При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.
Заряды конденсаторов при таком соединении равны:
Общее напряжение:
Величина, обратная общей емкости:
При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.
Важно!
Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости
Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.
Цепи переменного и постоянного тока
В цепях постоянного и переменного тока U обладает различными свойствами и производит иные влияния на проводники. Для постоянного напряжения существуют законы по вычислению его характеристик, но для переменного способы вычисления показателей заметно отличаются. Разберем более подробно все различия и сходства.
Расчет и анализ цепей выполняется при помощи закона Ома сила тока полной цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и источника питания.
Запись закона Ома, из которого следует формула напряжения, тока и сопротивления: I = U / (Rц + Rвн), где I — сила тока, U — ЭДС, Rц — сопротивление цепи, Rвн — внутреннее сопротивление источника питания.
Формула силы тока через сопротивление и напряжение: I = U / Rц.
Формула напряжения электрического тока: U = I * Rц.
Для расчета мощности необходимо U умножить на I: P = U * I = U * U / R, где P — мощность.
Свойства потенциала
Между находящимися частицами в электрическом поле существует напряжение. Оно равно отношению работы к числу заряда. Находят его по формуле: U = A / q. За единицу измерения напряжения принимают вольт. Обозначают его буквой В, характеризуется эта величина отношением джоуль на кулон. Так как разность потенциалов фактически является напряжением, то и измеряют её тоже в этих величинах.
Обозначают электрический потенциал буквой φ (фи). Он позволяет описывать электрическое поле, поэтому его называют энергетической характеристикой. Это скалярная величина. Определяется она как отношение потенциальной энергии заряда к его значению. В то же время напряжённость является силовой характеристикой. Так как эти два явления описывают одно и то же, то между ними существует связь.
Напряжённость позволяет определить силу, действующую на носитель энергии: E = F /q. Если вектор во всех точках пространства имеет одинаковое направление, то поле однородное. В нём на заряд действует сила F, определяемая как произведение заряда на вектор напряжённости. Пусть частица переместилась из А в В. Тогда она пройдёт расстояние d.
Совершённая работа будет определяться как A = q * E * d. Это то же, что A = U * q. Записанные выражения можно приравнять, причём сократить левую и правую часть на q. В результате получится связь между величинами: U = E * d. Так как напряжение — это разность потенциальности начальной и конечной точек, то формулу можно переписать так: φ1 — φ2 = E * d.
Отсюда можно сделать выводы:
- Если в определённой области пространства поля нет (E = 0), значит, φ 1 = φ 2, то есть потенциал равняется константе. Другими словами, φ во всех точках будет одинаковой. Например, во всех точках проводника потенциал будет одним и тем же.
- По сути, потенциальная энергия — это материя, определяющая электрическое взаимодействие тел. Поэтому, чтобы её определить, нужно знать значение φ в начальном положении и после перемещения заряда. Для удобства исходное состояние принимают за ноль. В электротехнике за нулевой уровень потенциал берут величину Земного шара. В теоретической же физике считается, что φ = 0 в бесконечности. Там, где нет электрического поля.
- Эквипотенциальные поверхности и силовые линии взаимно перпендикулярны.
Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.
Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:
Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции
И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.
Основные понятия и законы электростатики
Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности в этом законе
В СИ коэффициент k записывается в виде
Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:
Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением
Электроёмкостью тела называют величину отношения
Основные понятия и законы постоянного тока
Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:
Закон Ома для участка цепи имеет вид:
При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:
где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:
Основные понятия и законы магнитостатики
Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:
Основные понятия и законы электромагнитной индукции
Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:
Электромагнитные колебания и волны
Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).
Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой
Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:
Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.
Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:
Возникновение — контактная разность — потенциал
Разность потенциалов
Возникновение контактной разности потенциалов происходит прежде всего потому, что различные металлы характеризуются разной работой выхода. Электроны легче переходят из металла, для которого работа выхода имеет меньшее значение, в металл, для которого работа имеет большее значение, чем в обратном направлении. Первый металл заряжается положительно, второй отрицательно. При этом на их границе возникает двойной слой разноименных зарядов, внутри которого существует сильное электрическое поле. Легко понять, что это поле будет тормозить дальнейший переход электронов из первого металла во второй и в то же время способствовать их обратному переходу. В результате между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, при котором напряженность поля в двойном слое, а следовательно, и разность потенциалов, до которой заряжаются металлы, достигает максимального значения.
Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин: 1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно.
| Энергетическая диаграмма возникновения внешней контактной разности.| Энергетическая диаграмма возникновения вну. |
Возникновение контактной разности потенциалов в случае контакта металл-полупроводник принципиально не отличается от контакта металл-металл, так как она будет определяться разностью работ выхода металла и полупроводника. Однако отличие свойств полупроводника от металла, обусловленное возможностью значительного изменения концентраций носителей заряда в полупроводниках, приводит к возникновению специфических явлений на контакте металл-полупроводник.
Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце XVI11 в.
| Схема, поясняющая контактную разность потенциалов в. |
Возникновение контактной разности потенциалов определяется следующим процессом. При соприкосновении металлов в месте их контакта происходит взаимное перемещение электронов.
| Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. |
Объясните возникновение контактной разности потенциалов в контакте двух металлов и двух полупроводников.
Рассмотрим возникновение контактной разности потенциалов при контакте полупроводника и металла.
| К объяснению контактной разности потенциалов. |
Рассмотрим подробнее возникновение контактной разности потенциалов. Электроны в металле находятся в потенциальной яме. Точки 2 и-3 находятся при одном потенциале, как относящиеся к одному и тому же металлу. Точки 4 и 5 находятся при одном потенциале. Между точками 5 и 6 ( металл В и вакуум) снова будет скачок потенциала, так как электроны в металле В находятся в потенциальной яме. Эта последняя называется внешней контактной разностью потенциалов и она-то обычно и измеряется, поэтому ее часто называют просто контактной разностью потенциалов VAB — Благодаря разности потенциалов между точками / и 6 в зазоре между концами металлов А и В возникает электрическое поле, а на свободных поверхностях металлов А к В — электрические заряды.
| Характеристики р-ге-перехода. |
С другой стороны, возникновение контактной разности потенциалов и электрического поля в переходе приводит к появлению тока проводимости, направленного навстречу диффузионному току. Ток проводимости образуется за счет дрейфа через переход дырок из области с электропроводностью n — титга, где они являются неосновными носителями, в область с электропроводностью р-типа и дрейфа электронов через переход из области с электропроводностью р-типа в область с электропроводностью л-типа. В установившемся режиме при отсутствии внешнего напряжения, поданного на пластину с p — n — переходом, между обоими токами ( проводимости и диффузионным) устанавливается динамическое равновесие. И так как они направлены навстречу друг другу, общий ток через пластину и переход равен нулю. Высота потенциального барьера автоматически устанавливается такой, чтобы было равновесие между двумя токами.
Все остальные энергетические уровни после возникновения контактной разности потенциалов должны соответственно изогнуться. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрываются друг с другом.
