Kontaktinio potencialo skirtumas

Jei du pavyzdžiai, pagaminti iš dviejų skirtingų metalų, yra sandariai suspausti, tada tarp jų atsiras kontaktinio potencialo skirtumas. Italų fizikas, chemikas ir fiziologas Alessandro Volta šį reiškinį atrado 1797 m., tyrinėdamas metalų elektrines savybes.

Tada Volta nustatė, kad jei sujungsite metalus grandinėje tokia tvarka: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, tada kiekvienas paskesnis metalas gautoje grandinėje įgis. potencialas – mažesnis nei ankstesnis. Be to, mokslininkas išsiaiškino, kad keli metalai, sujungti tokiu būdu, sudarys tokį patį potencialų skirtumą tarp suformuotos grandinės galų, nepaisant šių metalų išsidėstymo šioje grandinėje sekos – ši padėtis dabar žinoma kaip Voltos nuoseklių kontaktų dėsnis. .

Čia nepaprastai svarbu suprasti, kad norint tiksliai įgyvendinti kontaktų sekos dėsnį, būtina, kad visa metalo grandinė būtų tos pačios temperatūros.

Jei ši grandinė dabar uždaryta iš galų, tada iš įstatymo išplaukia, kad EML grandinėje bus lygus nuliui.Bet tik tuo atveju, jei visi šie elementai (metalas 1, metalas 2, metalas 3) yra vienodos temperatūros, kitaip būtų pažeistas pagrindinis gamtos dėsnis – energijos tvermės dėsnis.

Skirtingoms metalų poroms kontaktinio potencialo skirtumas bus savas – nuo ​​dešimtųjų ir šimtųjų voltų iki kelių voltų.

Norint suprasti kontaktinio potencialo skirtumo atsiradimo priežastį, patogu naudoti laisvųjų elektronų modelį.

Tegul abu poros metalai yra absoliučioje nulinėje temperatūroje, tada visi energijos lygiai, įskaitant Fermio ribą, bus užpildyti elektronais. Fermio energijos vertė (riba) yra susijusi su laidumo elektronų koncentracija metale taip:

m – likusioji elektrono masė, h – Planko konstanta, n – laidumo elektronų koncentracija

Atsižvelgdami į šį santykį, glaudžiai susiliejame du metalus, kurių Fermi energija skiriasi, taigi ir su skirtinga laidumo elektronų koncentracija.

Tarkime, kad antrasis metalas turi didelę laidumo elektronų koncentraciją ir atitinkamai antrojo metalo Fermio lygis yra didesnis nei pirmojo.

Tada, kai metalai susiliečia vienas su kitu, prasidės elektronų difuzija (prasiskverbimas iš vieno metalo į kitą) nuo metalo 2 į metalą 1, nes metalas 2 užpildo energijos lygius, viršijančius pirmojo metalo Fermio lygį. , o tai reiškia, kad elektronai iš šių lygių užpildys metalo 1 laisvas vietas.

Atvirkštinis elektronų judėjimas tokioje situacijoje energetiškai neįmanomas, nes antrajame metale visi žemesni energijos lygiai jau yra visiškai užpildyti.Galiausiai metalas 2 bus įkrautas teigiamai, o metalas 1 – neigiamai, o pirmojo metalo Fermi lygis taps didesnis nei buvo, o antrojo metalo lygis sumažės. Šis pakeitimas bus toks:

Dėl to tarp besiliečiančių metalų ir atitinkamo elektrinio lauko atsiras potencialų skirtumas, kuris dabar užkirs kelią tolesnei elektronų difuzijai.

Jo procesas visiškai sustos, kai potencialų skirtumas pasieks tam tikrą vertę, atitinkančią dviejų metalų Fermio lygių lygybę, kuriai esant metale 1 nebus laisvų lygių naujai atkeliautiems elektronams iš metalo 2, o metale 2 nebus išlaisvinti lygiai dėl elektronų migracijos iš metalo 1 galimybės. Energijos balansas ateis:

Kadangi elektrono krūvis yra neigiamas, potencialų atžvilgiu turėsime tokią padėtį:

Nors iš pradžių manėme, kad metalų temperatūra yra absoliutus nulis, tačiau panašiai pusiausvyra atsiras bet kurioje temperatūroje.

Fermio energija, esant elektriniam laukui, bus ne kas kita, kaip vieno elektrono cheminis potencialas elektronų dujose, susijęs su to vienintelio elektrono krūviu, o kadangi pusiausvyros sąlygomis abiejų metalų elektronų dujų cheminiai potencialai. bus lygus , tereikia į svarstymą įtraukti cheminio potencialo priklausomybę nuo temperatūros.

Taigi, mūsų svarstomas potencialų skirtumas vadinamas vidiniu kontakto potencialų skirtumu ir atitinka Voltos dėsnį serijiniams kontaktams.

Įvertinkime šį potencialų skirtumą, tam išreiškiame Fermio energiją laidumo elektronų koncentracija, tada pakeičiame skaitines konstantų reikšmes:

Taigi, remiantis laisvųjų elektronų modeliu, metalų vidinio kontaktinio potencialo skirtumas yra nuo šimtųjų voltų iki kelių voltų.