Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 12. Контактная разность потенциаловВесьма важно, что при соприкосновении проводников различной химической природы электрическое равновесие устанавливается, вообще говоря, при неодинаковых потенциалах этих проводников. Для электрического равновесия необходимо, чтобы во всех точках внутри проводника потенциал был одинаков, но на границе соприкосновения (контакта) разнородных проводников значение потенциала может испытывать некоторый скачок, причем во всех точках другого проводника потенциал имеет также одинаковое значение, однако оно может быть отлично от значения потенциала в первом проводнике. Поле в каждом из соприкасающихся проводников отсутствует, но для перемещения небольшого пробного заряда проводников при их электрическом равновесии:
Опыт показывает, что при соприкосновении разнородных проводников на границе соприкосновения действительно обнаруживается некоторая характерная для каждой пары проводников разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов. Величина этой контактной разности потенциалов зависит только от химической природы и молекулярного строения соприкасающихся проводников, а также от физических условий, определяемых температурой и давлением, но не зависит ни от размеров, ни от геометрической формы проводников, ни от площади поверхности, по которой они соприкасаются.
Рис. 29. Цепь разнородных проводников первого рода. Каково происхождение контактной разности потенциалов и как связана ее величина с особенностями строения проводника? Эти вопросы мы только кратко рассмотрим в данном параграфе и остановимся на них дополнительно в § 33. Но прежде всего мы должны согласовать с выводами электростатики тот факт, что на поверхностях соприкосновения проводников различной химической природы могут существовать и обычно существуют скачки потенциала. Если соприкосновение разнородных проводников не влечет за собой химического превращения соприкасающихся веществ, их называют проводниками первого рода. Проводниками первого рода являются металлы, сплавы, уголь, графит. Рассмотрим «цепь», составленную из нескольких проводников первого рода (рис. 29). Обратим внимание на величину потенциала в какой-либо точке одного из этих проводников, например в точке В электростатическом поле потенциал является величиной однозначной. Это означает, что если, отправляясь из точки было найдено до осуществления указанной «циркуляции»:
или
где Итак, для цепи, составленной во всех своих звеньях из проводников первого рода, полная сумма контактных скачков потенциала равна нулю. Это утверждение называют законом Вольта. Разрежем цепь проводников, представленную схематически на рис. 29 так, как показано на этом рисунке волнистой чертой, т. е. не по поверхности раздела разнородных проводников.
Рис. 30. Правильно разомкнутая цепь имеет на концах проводники одного рода Такая разомкнутая цепь проводников, имеющая на концах («на полюсах») проводники одного рода, называется правильно разомкнутой цепью (рис. 30). В такой цепи сохраняется та же полная сумма контактных скачков потенциала, которая по закону Вольта равна нулю. Стало быть, разность потенциалов на полюсах правильно разомкнутой цепи у составленной из проводников первого рода, равна нулю. Следует иметь в виду, что для приведенного нами обоснования закона Вольта и теоремы о равенстве потенциалов на полюсах правильно разомкнутой цепи проводников первого рода существенное значение имело предположение, что на рассматриваемую цепь проводников не оказывается какого-либо энергетического воздействия. Если это условие не соблюдено, например, если один участок цепи мы будем нагревать, а другой охлаждать, то закон Вольта может нарушиться и на концах правильно разомкнутой цепи проводников первого рода может обнаружиться некоторая разность потенциалов (§ 33). Если соприкосновение проводников вызывает химическую реакцию между ними, то проводник, в котором протекает химическая реакция, называют проводником второго рода, или электролитом (обычно это жидкости, в частности водные растворы многих веществ). Химическая реакция, протекающая в электролите и на поверхностях соприкосновения электролита с металлами, углем, может явиться причиной длительного нарушения электрического равновесия, т. е. причиной электрического тока. Условия, обеспечивающие подобную «электрификацию» химических реакций, рассмотрены в главе VII. Для цепи, составленной из проводников, среди которых имеются проводники второго рода, закон Вольта несправедлив. Полная сумма скачков контактных потенциалов в такой цепи, вообще говоря, отлична от нуля. Это связано с тем, что, когда такая цепь замкнута, в ней не устанавливается электрическое равновесие, а протекает электрический ток. Если же такая цепь разомкнута (подразумевается, что она правильно разомкнута), то между ее полюсами обнаруживается разность потенциалов, равная полной сумме контактных разностей потенциалов во всей цепи. Подробнее об этом сказано в §§ 24, 33 и 40. Скачки потенциала в электростатическом поле могут существовать не только на поверхностях соприкосновения проводников, но и на поверхностях соприкосновения проводника и диэлектрика, а также и на поверхностях соприкосновения двух диэлектриков. Экспериментальные исследования показывают, что контактные разности потенциалов в большинстве случаев составляют десятые доли вольта, но во многих случаях они существенно больше вольта. На рис. 31 представлена принципиальная схема возможного определения контактной разности потенциалов по измерению напряженности создаваемого ею электрического поля.
Рис. 31. Скачок потенциала имеет место на границе тесного соприкосновения металлов, например их спая, а также на границе металла и диэлектрика. Когда две электрически нейтральные пластины, допустим, цинковая и серебряная, приведены в тесное соприкосновение, то вследствие контактной разности потенциалов каждая из них электризуется; цинковая приобретает положительный заряд, а серебряная — отрицательный. Поверхности пластин будут эквипотенциальными поверхностями. Если некоторая часть пластин разъединена вакуумом, то в пространстве между этой частью пластин должно существовать электрическое поле, напряженность которого равна разности потенциалов (с учетом скачка потенциала на границе металл — вакуум), деленной на расстояние между пластинами. В действительности измерение контактной разности потенциалов сопряжено со многими трудностями. Если придерживаться схемы, показанной на рис. 31, и для оценки поля между пластинами поместить туда легкий, например бузиновый, наэлектризованный шарик, подвешенный на нити, то ожидаемый эффект отклонения шарика и нити под действием поля, вызванного контактной разностью потенциалов, будет совершенно искажен явлением электрической индукции. Присоединение вольтметров к проводникам, контактный потенциал которых мы хотели бы измерить, сопряжено с созданием других контактов между этими проводниками и проводами; это вводит в измерительную цепь новые скачки потенциалов. Существование контактной разности потенциалов было обнаружено Александром Вольта на заре развития учения об электричестве, в 1797 г. Но вследствие трудностей измерения до сравнительно недавнего времени не было надежных данных о величинах контактных разностей потенциалов. Многие противоречия в сделанных измерениях были вызваны, между прочим, тем, что величина контактной разности потенциалов сильно зависит от состояния поверхностных слоев металлов и от наличия примесей в них.
Рис. 32. Разность потенциалов Следует отметить также, что измерения контактной разности потенциалов по схеме рис. 31 дают сумму, в которую входят скачок потенциала на границе соприкосновения двух металлов и два скачка потенциала при переходе из металлов в вакуум (рис. 32). Поэтому, во-первых, замена вакуума диэлектриком влияет на измеряемую суммарную разность потенциалов. Во-вторых, измерение суммарного скачка потенциала не позволяет однозначно определить скачок потенциала на поверхности соприкосновения двух проводников. Как примирить универсальный факт скачка электрического потенциала на поверхностях раздела веществ с представлением о том, что равновесие осуществляется при выравнивании потенциалов? Чтобы получить правильный ответ на этот вопрос, нужно отказаться от изолированного рассмотрения электрических явлений вне их природной связи с другими явлениями, т. е. выйти за рамки классической электростатики и учесть действительную взаимосвязь электрических, химических и тепловых явлений. В первом томе (§ 105, стр. 424, 425) было указано, что термодинамическое равновесие между разнородными веществами устанавливается при равенстве полных термодинамических потенциалов, вычисленных парциально для веществ-компонентов (иначе эти потенциалы называют «химическими»). Мы должны теперь принять во внимание, что, во-первых, термодинамическое равновесие — это сочетание равновесий в отношении всех макрофизических процессов, т. е. сочетание теплового, диффузионного, химического, электрического и других равновесий. Во-вторых, нужно иметь в виду, что электрический потенциал входит в полный термодинамический потенциал в качестве одного из слагаемых (другими слагаемыми являются потенциал термического давления, потенциал сил химического сродства, потенциал сил тяготения и т. п.). Итак, электрическое равновесие между разнородными веществами — будь то проводники или изоляторы — должно существовать при равенстве полных термодинамических потенциалов, вычисленных парциально для частиц — носителей электрических зарядов, т. е. электронов или (в случае проводников второго рода) ионов. Для разных веществ эти полные потенциалы вообще неодинаковы. Поэтому при соприкосновении разнородных веществ выравнивание этих полных потенциалов как раз и происходит за счет возникновения скачка электрического потенциала. Иначе говоря, контактная разность электрических потенциалов уравновешивается природным неравенством потенциалов других сил — сил «электронного термического давления» в металлах (§ 33), электрохимических сил в электролитах (§ 40), сил «сродства» электронов к атомам и молекулам в диэлектриках. Можно сказать также, что в слое соприкосновения разнородных веществ электрические заряды перемещаются внутренними — или, как их называют также, «сторонними» — силами до тех пор, пока эти силы не уравновешиваются силами, вызванными происшедшей электризацией соприкасающихся тел. Это означает также, что в слое соприкосновения разнородных веществ суммарная напряженность электрического поля слагается из силы, вызванной зарядами макроскопической электризации, происшедшей благодаря контакту, и внутренней, «сторонней» электрической силы, имеющей противоположное направление. При равновесии эта суммарная напряженность поля в слое соприкосновения проводников равна нулю» Следует, однако, отметить, что в электростатике, где изучается поле неподвижных зарядов и где поневоле мы отвлекаемся от связи явлений с другими формами движения, не принято применять указанную суммарную напряженность поля. В электростатике под напряженностью поля подразумевают только первую из указанных составляющих суммарной напряженности поля, т. е. напряженность, создаваемую макроскопическими зарядами электризации тел. По-видимому, допустимо считать, что при теснейшем сближении тел разноименные заряды контактной электризации размещены двойным слоем на расстоянии порядка межмолекулярных расстояний, т. е. порядка проводника или диэлектрика и в первое же мгновение при соприкосновении тел приводят к их электризации, создавая этим контактный скачок потенциала. Если можно было бы проводники, зарядившиеся вследствие контактной разности потенциалов, разъединить строго одновременно во всех точках поверхности соприкосновения, то, удаляя друг от друга эти противоположно заряженные проводники и, следовательно затрачивая работу на преодоление их взаимного притяжения, мы многократно повысили бы потенциал каждого из них. Однако на деле такой способ обнаружения контактной разности потенциалов у проводников невозможен. Поверхности всегда имеют микроскопические шероховатости, поэтому в какой-либо точке поверхности контакт будет нарушен позже, чем в других точках. К этому моменту потенциал разъединяемых проводников уже несколько возрастет, и вследствие проводимости соприкасавшихся веществ заряды стекут по «мостику» последнего контакта и нейтрализуются. Из сказанного ясно, что электризация, возникающая при контакте диэлектриков, должна сохраняться при их разъединении, а установившаяся между ними при соприкосновении контактная разность потенциалов должна при разъединении диэлектриков многократно возрастать. Это подтверждается в явлениях «электризации тел при трении». Трение здесь играет, по-видимому, только ту роль, что обеспечивает последовательно тесное соприкосновение различных точек поверхностей тел. Электризация тел при трении возникает, вероятно, вследствие контактной разности потенциалов соприкасающихся диэлектриков. Вначале потенциал электризации незначителен — порядка нескольких вольт, но при разъединении тел потенциал возрастает в соответствии с работой, затрачиваемой на преодоление притяжения разноименных зарядов (аналогично возрастает потенциал заряженного конденсатора при раздвигании его пластин). В итоге потенциал электризации от контакта диэлектриков может достигать сотен вольт. Об этом свидетельствуют искорки, появляющиеся при сближении наэлектризованного «трением» тела с проводником.
|
1 |
Оглавление
|