Контактная разность потенциалов и фотоэффект

[Emergency]

schoolboy в сообщении #1486410 писал(а):

при контакте на одном уровне становится потенциал Ферми (по-другому называется электрохимическим)

В нашем курсе электрохимии уделяли внимание электрохимическим потенциалом металлов, а не электронов. И рассказывали про потенциалы Гальвани и Вольта, а не Ферми. :(

[Hagrael]

Спасибо вам за ваши ответы!

Emergency, я понял вашу концепцию, спасибо! Я примерно так себе это и представлял! Для простоты запомню ваш вариант.

schoolboy, то есть даже при контакте сохранится контактная разница потенциалов, так как она не сможет "реализоваться" (электроны не смогут перебежать от большего потенциала к меньшему), потому что сила взаимодействия между ядрами металла и его электронами не позволит этого сделать? То есть будет наблюдаться аналогия с яблоком, висящим на дереве? Потенциал-то есть, но черенок слишком прочно держится на дереве (и слава Богу, иначе кушать нам зелёные яблоки!)?

(Оффтоп)

Вспомнил анекдот:
- Мама, мама, я медведя поймал!
- Ну так неси его сюда, сынок!
- Не могу, он меня держит

schoolboy, зонная теория - это интересно, но я пока хочу разобраться с фотоэффектом :)

Мне сейчас хочется понять, имеется ли в опыте с фотоэффектом электростатическое поле? Насколько я понимаю, имеется, поскольку катод и анод заряжены. Если так, то данное поле, очевидно, не способно оторвать электроны от катода, иначе бы был ток! Думаю, что на большом расстоянии электрическим протяжением электронов к аноду вообще можно пренебречь. Но вот, мы начинаем "подавать свет" на катод. При этом свет отрывает электроны и они начинают двигаться в сторону анода. Пожалуйста, скажите, я правильно понимаю ситуацию? Получается, что мы можем определить работу фотоэффекта, потихоньку увеличивая частоту света. Но как тогда определить кинетическую энергию электрона? Вот здесь:
Про тормозящую разность потенциалов
говорится, что можно это сделать с помощью задерживающей разности потенциалов внешнего поля, противонаправленного к полю между электродами. Но ведь тогда для определения кинетической энергии электрона нам нужно учитывать изначальное поле между электродами, верно? Или оно делается настолько малым (главное - способными хоть чуть-чуть направить выбитые электроны), что им можно пренебречь? Тогда я думаю, я соглашусь с этим.

Но что тогда показывает график $I$ от $V$? Обычно, когда мы говорим о данной зависимости в проводнике, то имеем в виду, что это разность потенциалов создаёт силу тока $I$. Но здесь $I$ как бы уже создана за счёт фотонов, бомбардирующих электроны катода, а $V$, создаваемая электродами, лишь направляет данный потоку электронов. Как я понимаю, это напряжение не имеет прямого отношения к кинетической энергии электронов. Возможно, электроны по ходу своего движения создают электромагнитное поле с таким напряжением (я не силен в физике по части электричества). А возможно, на графике указано по сути то напряжение, которое нужно приложить, чтобы прекратить поток электронов? Тогда все встаёт на свои места.

И здесь же говорится о том, что контактная разность потенциалов (КРП) может тормозить электроны на выходе, уменьшая их кинетическую энергию. Вот этого я не понимаю. Ведь разве фотон не передал энергию, достаточную для того, чтобы оторвать электрон от катода ("преодолев" потенциал КРП у катода)? И разве низкий потенциал КРП анода не "способствовал" превращению кинетической энергии в тепловую энергию анода, никак не влияя на кинетическую энергию электрона?

Мне кажется, если катод и анод находились бы в контакте, о влиянии контактной разности потенциалов ещё можно говорить, но если они изолированы друг от друга, то какой в этом смысл? Она ведь никак себя не проявляет. Даже при контакте сложно утверждать, что она себя проявит в полной мере (верно, schoolboy?), а тут уж и подавно. Контактная разность потенциалов напоминает двух немых электродов, которые много чего хотят сказать друг другу, но не могут. И как она здесь может влиять на кинетическую энергию электрона?

[Emergency]

Hagrael в сообщении #1486550 писал(а):

Но что тогда показывает график $I$ от $V$? Обычно, когда мы говорим о данной зависимости в проводнике, то имеем в виду, что это разность потенциалов создаёт силу тока $I$. Но здесь $I$ как бы уже создана за счёт фотонов, бомбардирующих электроны катода, а $V$, создаваемая электродами, лишь направляет данный потоку электронов.

Слово "направляет" тут не годится.
У нас есть поток электронов, который в идеале весь достигает анода при нулевом напряжении между катодом и анодом. А прикладывая отрицательный потенциал к аноду, мы вызываем появление тормозящего электрического поля. При этом электрон с кинетической энергией $E$ [эВ] не сможет попасть на анод, если напряжение $V$ [В]поданное между катодом и анодом больше чем $E/e$.

Hagrael в сообщении #1486550 писал(а):

А возможно, на графике указано по сути то напряжение, которое нужно приложить, чтобы прекратить поток электронов?

График - это обычная вольт-амперная характеристика. На нем показаны те токи, которые протекают через фотоэлемент при некотором напряжении на нем при постоянной освещенности.

[nds]

Hagrael
Вы не пробовали другую книжку читать?
Для фотоэффекта не нужна контактная разность потенциалов, не нужен ни катод ни анод ни вообще электрическая цепь. Фотоэффект это немного совсем другое. Нужен материал, свет и все.
Все остальное это технические сложности регистрации процесса.

[Hagrael]

nds, вообще, это книга про введение в квантовую физику :) А с помощью фотоэффекта в ней описывается квантованность (если так можно выразиться :)) передачи энергии от фотона электрону. И при этом описывается эксперимент по определению постоянной Планка и работы фотоэффекта.

Emergency в сообщении #1486562 писал(а):

Слово "направляет" тут не годится.
У нас есть поток электронов, который в идеале весь достигает анода при нулевом напряжении между катодом и анодом. А прикладывая отрицательный потенциал к аноду, мы вызываем появление тормозящего электрического поля. При этом электрон с кинетической энергией $E$ [эВ] не сможет попасть на анод, если напряжение $V$ [В] поданное между катодом и анодом больше чем $E/e$.

Emergency, спасибо вам за объяснение.
при нулевом напряжении между катодом и анодом - то есть катод и анод здесь - чисто формальные названия: они не заряжены, но электроны все же летят от катода к аноду, я правильно понимаю? Тогда, думаю, все встаёт на свои места!) А катод и анод заземлены, получается. Или же накапливающийся на них заряд не влияет на эксперимент. Контактную разность потенциалов все равно не могу сюда вплести никак. Возможно, контактная разность потенциалов влияет потому, что чем выше потенциал, тем меньше электронов спонтанно вылетает за пределы электрода. И в результате имеется изначальный ток? Но это было бы странно: даже при контакте контактная разность не "проявляет" себя, а тут без "собрата по КРП" будет разве? Более того, даже если бы это происходило, то это бы длилось в течение ограниченного интервала времени. Может, ток проходит через вольтметр? Но ведь выше было сказано, что электродов изолированы и вольтметр указывает напряжение, равное нулю. Хотя при этом через него все равно может идти небольшой ток (ведь вольтметр по силе тока через себя же определяет напряжение, верно?). И, возможно, из-за сверхмаленькой силы тока КРП долгое время не уходит?

Emergency в сообщении #1486562 писал(а):

График - это обычная вольт-амперная характеристика. На нем показаны те токи, которые протекают через фотоэлемент при некотором напряжении на нем при постоянной освещенности.

Думаю, мне нужно задаться вопросом, что за напряжение показано на этом самом графике. Ведь с силой тока все понятно. Напряжение здесь - это, очевидно, энергия 1 Кл электронов, исходящих из катода. Но каким образом оно измеряется? Не уже ли она измеряется по силе тока между электродами? Тогда, получается, что с накоплением отрицательного заряда на изначально нейтральном аноде напряжение будет бесконечно расти, пока происходит эксперимент и не будет соответствовать кинетической энергии $1 \text{Кл}$ испущенных электронов (будучи измеренной в $\text{В}$), так как данное напряжение: будет накапливаться и будет определяться лишь доставит на электродах и расстоянием между ними. Может быть, электрон, летя в пространстве, создавал какое-то электромагнитное поле именно засчет своего движения и тогда его можно зарегистрировать? И есть ещё один, последний вариант, который я считаю самым разумным: напряжение $V$ на графике - это самое напряжение, которое нужно приложить, чтобы прекратить поток электронов. То есть у нас изначально есть точка эксперимента (на вертикальной оси графика). И мы смещаемся по графику, изменяя потенциал электродов, то есть напряжение между ними. И таким образом мы изменяем также силу тока. В результате мы строим этот график (ВАХ). А затем располагаем его таким образом, чтобы минимальное значение напряжение согласно графику было равно $0$. И уже дальше видим, где максимальная точка - это и будет максимальная кинетическая энергия выдаваемых электронов $E_{\text{к}} = h\nu$. При этом мы также считаем, что электроны сами по себе при движении не испускают никакого значимого излучения и не являются источниками какого-либо значимого поля и в результате их взаимодействие друг с другом "при полете" отсутствует, то есть они не влияет друг на друга в плане скорости и энергии.

Знаю, что написал много))) Проснулся во мне педантизм, что тут скажешь :)

[Emergency]

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

при нулевом напряжении между катодом и анодом - то есть катод и анод здесь - чисто формальные названия: они не заряжены

Понятия катод и анод не определяются напряжением - они определяются направлением тока. Во внутренней цепи положительный ток течет от анода к катоду, а во внешней - наоборот.

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

но электроны все же летят от катода к аноду, я правильно понимаю?

Конечно. У них же есть кинетическая энергия (а так же потенциальная и энергия магнитного поля).

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

А катод и анод заземлены, получается.

Не заземлены, а соединены через внешний источник напряжения (раньше это делали с помощью батареи и потенциометра), изменяя величину которого (напряжения), можно менять ток через исследуемый образец.

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

Или же накапливающийся на них заряд не влияет на эксперимент.

Заряд тут не накапливается, а определяется внешним источником напряжения.

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

Контактную разность потенциалов все равно не могу сюда вплести никак.

Это источник эдс в схеме замещения, который никто не рисует из-за малости по сравнению с напряжением открытого диода.

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

даже при контакте контактная разность не "проявляет" себя

Проявляет - некоторое количество электронов переходит из одного материала в другой, создавая противоэдс. Вот только эта эдс очень мала по сравнению с той, что появляется на диэлектриках в электрофорных машинах.

Hagrael в сообщении #1486676 писал(а):

Думаю, мне нужно задаться вопросом, что за напряжение показано на этом самом графике

Мне кажется, что я уже ответил на этот вопрос в начале - оно задается лабораторным источником напряжения, а измеряется вольтметром. И оно не растет до бесконечности, так как ток уходит через диод на схеме замещения, который включен в открытом направлении. То есть напряжение не может превысить напряжения ни открытом диоде.

[Hagrael]

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Понятия катод и анод не определяются напряжением - они определяются направлением тока. Во внутренней цепи положительный ток течет от анода к катоду

Emergency, понятно! Спасибо за этот важный момент.

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Не заземлены, а соединены через внешний источник напряжения (раньше это делали с помощью батареи и потенциометра), изменяя величину которого (напряжения), можно менять ток через исследуемый образец.

То есть тормозящее напряжение создается и поддерживается его источником Понятно, спасибо. Знаю, что тривиальные вещи, но, пожалуйста, поймите правильно, я пока-что далек от экспериментов :)

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Заряд тут не накапливается, а определяется внешним источником напряжения.

Спасибо! Теперь стало понятно!

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Это источник эдс в схеме замещения, который никто не рисует из-за малости по сравнению с напряжением открытого диода.

А каким образом два изолированных друг от друга электрода могут "чувствовать" эту разность потенциалов? Через источник напряжения? Если да, то разве нельзя с помощью того же источника уравнять эту разность потенциалов? :) Ее можно измерить с помощью вольтметра? Если да, то опять же ее очень просто устранить.

Вопрос в том, как именно происходит влияние КРП в двух случаях:

1) Электроды соединены через проводник.
2) Электроды изолированы друг от друга (между ними воздух).

1) Допустим, в электрической цепи если две поверхности с КРП не соединены напрямую, а соединены через проводник.

Где нужно "рисовать в схеме источник ЭДС"? Мне кажется, одного источника здесь принципиально не будет. Здесь будут две точки: одна - с высоким потенциалом, другая - с низким. И сопротивление между ними.

Ведь все источники ЭДС сводятся к двум взаимоизолированным объектам с разным потенциалом. Данный потенциал имеет электромагнитную природу, является ЭДС и весьма понятен.

А вот с КРП как быть - неясно. Ведь если данная ЭДС не реализует себя даже при контакте, то как же тогда оценивать ее влияние?

Даже если это тоже потенциал ЭМ-поля, то, по-моему, он ни к чему не приведет, как не привел потенциал двух изолированных заряженных электродов. Чтобы начать двигаться в сторону "реализации" потенциалов сперва нужно избавиться от некоего барьера (потенциальной горы) на пути к его реализации. У другой реакции с высвобождением энергии как бы слишком высокая энергия активации (говоря на языке химии). Таким образом, КРП не "предоставит" электронов в среду между поверхностями с КРП и "не пропустит" электронов внутрь какой-либо из поверхностей. Но при этом влияние на электроны между поверхностями может быть. Тогда можно считать за КРП разность между крайними значениямм потенциалов, которые "доступны" для электронов, то есть находятся между поверхностями с внешней стороны от потенциальной горы (и т. о. "доступны для посещения простым смертным электронам"). В этом случае КРП будет влиять на ток. Но при этом быстро установится равновесие и ток перестанет идти.

Возможно, в ходе фотоэффекта из-за постоянного изменения заряда на электродах данная КРП каким-то образом всё-таки влияет на ток. Но понятно, что интегрально влияние будет нулевое, как в случае постоянного, так и переменного тока.

Главный вопрос: Между какими поверхностями при проведении эксперимента с фотоэффектом имеется КРП и как эти поверхности связаны друг с другом?

Может быть, есть какое-то ядро атома и другое ядро атома и если они соединятся, то выделится море энергии и будет нереальный энергетический минимум, но ведь этого не происходит, потому что ядрам что-то не позволяет объединиться точно также, как и самим катоду и аноду. Поэтому мы не учитываем эту разность потенциалов в нашем эксперименте. Думаю, ситуация с ядрами отличается тем, что речь о движении самих ядер, а не о движении чего-либо в их поле, поэтому ситуация изначально в корне другая. Но когда мы говорим о КРП, мы говорим о РП между поверхностями, то есть о способности поверхностей транспортировать электроны друг к другу. С помощью ЭМ-поля? Возможно. Если нет, то это, ИМХО вовсе не нужно рассматривать, потому что в этом случае я не понимаю, как именно этот потенциал по транспортировке электронов должен реализовываться, раз он не отталкивает/притягивает электрон с помощью поля. Когда начинается такое взаимодействие? И вообще, сложно говорить о потенциале, когда нету поля. А если поле есть, но оно себя не проявляет, то данную разность и учитывать не нужно, наверное. Если оно себя не проявляет, значит, есть потенциальная горка (жёстче любого сопротивления эти потенциальные горки!), через которую электрон не может "перепрыгнуть".

Но вопрос: в случае КРП потенциал общего ЭМ-поля между электродами меняется или нет? Если да, то я могу это понять. И тогда действительно будет ЭДС. То есть я хочу сказать, что обе поверхности не "хотят" отдавать свои электроны, даже, может быть, и принимать их не хотят, но при этом влияют на проведение электронов между собой. Думаю, такое тоже возможно. Вопрос в том, влияет ли поле, создающее КРП на среду между поверхностями, обладающими КРП?

2) Итак, рассмотрим случай, когда имеется КРП между двумя изолированными друг друга электродами? Это тоже цепь, но с бесконечно большим сопротивлением между электродами. По идее ситуация аналогична предыдущей. Но все же здесь цепь принципиальное отличие в том, что между электродами нету проводника, в котором можно было бы "организовать" расположение электронов так, чтобы они способствовали наличию силы тока между электродами. Именно проводник является той "рукой", которую один электрод может протянуть к другому, "мост", по которому поле может идти от одного электрода к другому. Ведь взаимодействие между двумя изолированными электродами крайне слабо. А в случае наличия проводника - среды в окрестностях, на которую поле может воздействовать с результатом (перегруппировкой и движением электронов в проводнике), воздействие будет оказано. И в результате электроны начнут двигаться в сторону от отрицательного заряда. В этом еще одно интересное свойство электрического поля: оно направляет заряды, пытаясь нейтрализовать само себя же, и делает это таким образом, чтобы эти самые "толкаемые" заряды толкали другие заряды - и снова в сторону нейтрализации поля! Таким образом, в случае наличия проводника с электронами в зоне досягаемости для поля (ведь вблизи электродов поле может вывести их из состояния равновесия) поле "отправляет их распространять свою волю" и в итоге они достигают другого электрода. На стороне другого электрода происходит обратное, но с той же целью: путем притягивания электронов создается дефицит отрицательного заряда и таким образом они, стремясь достичь просветления анода, как бы будут тянуть за собой другие электроны. Возможно, объяснил слишком интуитивно, но мне нравится :) В случае воздуха-изолятора между электродами нету тех мессионеров электронов (элементов), на которые поле, создаваемое электродами, может воздействовать (вывести из равновесия) и которые бы пошли дальше "распространять воздействие поля" (по-другому можно сказать, что нет электронов, которым поле сообщает кинетическую энергию, чтобы они ее потом передали другим электронам по законам поля, передавшего им энергию). Поэтому поле "бессильно".

И как здесь выразить контактную разность потенциалов?

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Проявляет - некоторое количество электронов переходит из одного материала в другой, создавая противоэдс. Вот только эта эдс очень мала по сравнению с той, что появляется на диэлектриках в электрофорных машинах.

Понятно, это ЭДС очень мала и быстро "реализуется" за счёт переноса электронов с одной поверхности на другую.

Но ведь в пирофорной машине напряжение в тысячи Вольт. Не уже ли чтобы остановить электрон, вылетевший из электрода, нужно прикладывать такие же напряжения?

Emergency в сообщении #1486686 писал(а):

Мне кажется, что я уже ответил на этот вопрос в начале - оно задается лабораторным источником напряжения, а измеряется вольтметром. И оно не растет до бесконечности, так как ток уходит через диод на схеме замещения, который включен в открытом направлении. То есть напряжение не может превысить напряжения ни открытом диоде.

Emergency, теперь я вас понимаю :) оно же создаётся источником питания. Теперь все логично))

[nds]

Hagrael
Всё же посмотрите другие описания опыта Столетова.
Например, на physbook (Опыт Столетова А.Г.) есть даже Flash-анимация опыта, где можно поиграться с материалами и напряжением.

Если поискать дальше, там же есть раздел Электронная эмиссия, где и про КРП встречается.

Извиняюсь за ссылки через клик.ру

[Emergency]

У вас миллион вопросов... А ответы есть в цитированном вами источнике (Иродов).
Посмотрите на рисунки, обдумайте их, и найдите на них КРП.

[Neos]

Цитата:

Сейчас читаю про фотоэффект, и у меня возник вопрос: почему при фотоэффекте играет роль контактная разность потенциалов?

Фотоэффект абсолютно автономное явление, и с контактной разностью никак не связан. Фотоэффект проявится, если облучить изолированный кусок металла светом. Электроны в металле находятся в потенциальной яме. Чтобы вырвать электрон, ему нужно сообщить энергию, которую называют работой выхода электрона. Излучение с энергией кванта $h\nu$ меньше работы выхода фотоэффекта не вызывает. Если энергия кванта больше работы выхода, то часть ее расходуется на выход из потенциальной ямы, остальное - на кинетическую энергию свободного электрона. Формула Эйнштейна для фотоэффекта:
$h\nu = \frac{m_e v^2}{2} + A$ ,
где $A$ - работа выхода электрона из металла.
По фотоэффекту все.

[Hagrael]

Neos, спасибо вам за объяснение! Все просто, доступно и понятно. Если у меня и были какие-то сомнения насчёт фотоэффекта, то они развеялись.

nds, спасибо за информативные ссылки! Буду их смотреть!

Emergency, про миллион вопросов - это чистая правда)) Да, в Молдове есть изображение этой самой КРП на графике, но физиологически смысл её влияния не объясняется. Я думаю, я пойму ее, когда буду изучать зонную теорию. А пока-что я уже достаточно хорошо разобрался в КРП (разобраться - значит составить весь список загадок и вопросов по определенной тем P.S.: Шучу!). Большое спасибо Вам Всем за объяснение!