Разлика в потенциала за контакт

Ако две проби, направени от два различни метала, са плътно притиснати една към друга, тогава между тях ще възникне контактна потенциална разлика. Италианският физик, химик и физиолог Алесандро Волта открива това явление през 1797 г., докато изучава електрическите свойства на металите.

Тогава Волта установи, че ако свържете металите във верига в този ред: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, тогава всеки следващ метал в получената верига ще придобие потенциал по -нисък от предишния. Освен това ученият установи, че няколко метала, комбинирани по този начин, ще дадат еднаква потенциална разлика между краищата на образуваната верига, независимо от последователността на подреждане на тези метали в тази верига — тази позиция сега е известна като тази на Волта закон за последователни контакти.

Тук е изключително важно да се разбере, че за точното изпълнение на закона за последователността на контактите е необходимо цялата метална верига да бъде при една и съща температура.

Ако сега тази верига е затворена от краищата върху себе си, тогава от закона ще следва, че ЕМП във веригата ще бъде равна на нула. Но само при условие, че всичко това (метал 1, метал 2, метал 3) е при една и съща температура, в противен случай основният закон на природата — законът за запазване на енергията — би бил нарушен.

За различните двойки метали разликата в контактния потенциал ще бъде своя собствена, в диапазона от десети и стотни от волта до няколко волта.

За да се разбере причината за появата на контактната потенциална разлика, е удобно да се използва моделът на свободните електрони.

Нека и двата метала от двойката да са при абсолютно нулева температура, тогава всички енергийни нива, включително границата на Ферми, ще бъдат запълнени с електрони. Стойността на енергията на Ферми (граница) е свързана с концентрацията на електроните на проводимост в метала, както следва:

m е масата на покой на електрона, h е константата на Планк, n е концентрацията на електроните на проводимост

Като се вземе предвид това съотношение, ние поставяме в тесен контакт два метала с различни енергии на Ферми и следователно с различни концентрации на електроните на проводимост.

Нека приемем за нашия пример, че вторият метал има висока концентрация на електрони на проводимост и съответно нивото на Ферми на втория метал е по -високо от това на първия.

След това, когато металите влизат в контакт един с друг, ще започне дифузия (проникване от един метал в друг) на електрони от метал 2 до метал 1, тъй като металът 2 е запълнил енергийни нива, които са над нивото на Ферми на първия метал, което означава, че електроните от тези нива ще се запълнят в метални 1 свободни върхове.

Обратното движение на електроните в такава ситуация е енергийно невъзможно, тъй като във втория метал всички по -ниски енергийни нива вече са напълно запълнени. В крайна сметка метал 2 ще бъде зареден положително, а метал 1 — отрицателно, докато нивото на Ферми на първия метал ще стане по -високо, отколкото е било, а това на втория метал ще намалее. Тази промяна ще бъде следната:

В резултат на това ще възникне потенциална разлика между контактуващите метали и съответното електрическо поле, което сега ще попречи на по -нататъшната дифузия на електрони.

Неговият процес ще спре напълно, когато разликата в потенциала достигне определена стойност, съответстваща на равенството на нивата на Ферми на двата метала, при които няма да има свободни нива в метал 1 за новопостъпилите електрони от метал 2 и в метал 2 нива няма да бъдат освободени за възможността за електронна миграция от метал 1. Енергийният баланс ще дойде:

Тъй като зарядът на електрона е отрицателен, ще имаме следната позиция спрямо потенциалите:

Въпреки че първоначално сме приели температурата на металите равна на абсолютна нула, все пак по подобен начин равновесието ще настъпи при всяка температура.

Енергията на Ферми в присъствието на електрическо поле няма да бъде нищо повече от химически потенциал на единичен електрон в електронен газ, отнасящ се до заряда на този единичен електрон, и тъй като при равновесни условия химическите потенциали на електронните газове на и двата метала ще бъдат равни, необходимо е само да се добави към съображението зависимостта на химичния потенциал от температурата.

И така, потенциалната разлика, разглеждана от нас, се нарича вътрешна контактна потенциална разлика и отговаря на закона на Волта за последователни контакти.

Нека оценим тази потенциална разлика, за това изразяваме енергията на Ферми чрез концентрацията на електроните на проводимост, след което заместваме числените стойности на константи:

По този начин, въз основа на модела на свободните електрони, разликата в потенциала на вътрешния контакт за металите е от порядъка на величината от стотни от волта до няколко волта.