Разлика у контактном потенцијалу

Ако се два узорка направљена од два различита метала чврсто стисну заједно, онда ће се између њих појавити контактна разлика потенцијала. Италијански физичар, хемичар и физиолог Алесандро Волта открио је овај феномен 1797. године проучавајући електрична својства метала.

Затим је Волта открио да ако спојите метале у ланац овим редоследом: Ал, Зн, Сн, Пб, Би, Хг, Фе, Цу, Аг, Ау, Пт, Пд, онда ће сваки следећи метал у резултирајућем ланцу добити потенцијал од - мањи од претходног. Штавише, научник је открио да ће неколико метала комбинованих на овај начин дати исту потенцијалну разлику између крајева формираног кола, без обзира на редослед распореда ових метала у овом колу - ова позиција је сада позната као Волтин закон серијских контаката .

Овде је изузетно важно схватити да је за тачно спровођење закона контактног низа неопходно да цео метални круг буде на истој температури.

Ако је ово коло сада затворено са крајева на себи, онда из закона следи да ће ЕМФ у колу бити нула.Али само ако су сви ови (метал 1, метал 2, метал 3) на истој температури, иначе би се прекршио основни закон природе – закон одржања енергије.

За различите парове метала, контактна потенцијална разлика ће бити сопствена, у распону од десетих и стотих делова волта до неколико волти.

Да би се разумео разлог за појаву контактне разлике потенцијала, згодно је користити модел слободних електрона.

Нека оба метала пара буду на температури апсолутне нуле, тада ће сви енергетски нивои, укључујући Фермијеву границу, бити испуњени електронима. Вредност Фермијеве енергије (гранична) је повезана са концентрацијом електрона проводљивости у металу на следећи начин:

м је маса мировања електрона, х је Планкова константа, н је концентрација електрона проводљивости

Узимајући у обзир овај однос, доводимо у блиски контакт два метала са различитим Фермијевим енергијама и самим тим са различитим концентрацијама електрона проводљивости.

Претпоставимо за наш пример да други метал има високу концентрацију електрона проводљивости и сходно томе је ниво Фермија другог метала виши од оног првог.

Затим, када метали дођу у контакт један са другим, почиње дифузија (продирање од једног метала до другог) електрона од метала 2 до метала 1, јер је метал 2 испунио нивое енергије који су изнад Фермијевог нивоа првог метала. , што значи да ће електрони са ових нивоа попунити празна места метала 1.

Обрнуто кретање електрона у таквој ситуацији је енергетски немогуће, пошто су у другом металу сви нижи енергетски нивои већ потпуно испуњени.На крају, метал 2 ће постати позитивно наелектрисан, а метал 1 негативно, док ће ниво Фермија првог метала постати виши него што је био, а другог метала ће се смањити. Ова промена ће бити следећа:

Као резултат тога, између метала у контакту и одговарајућег електричног поља ће настати разлика потенцијала, што ће сада спречити даљу дифузију електрона.

Његов процес ће се потпуно зауставити када разлика потенцијала достигне одређену вредност која одговара једнакости Фермијевих нивоа два метала, при чему неће бити слободних нивоа у металу 1 за новопристигле електроне из метала 2, а у металу 2 ниједан ниво неће бити ослобођен могућности миграције електрона из метала 1. Енергетски биланс ће доћи:

Пошто је наелектрисање електрона негативно, имаћемо следећи положај у односу на потенцијале:

Иако смо првобитно претпоставили да је температура метала апсолутна нула, ипак ће на сличан начин доћи до равнотеже на било којој температури.

Фермијева енергија у присуству електричног поља неће бити ништа друго до хемијски потенцијал једног електрона у електронском гасу који се односи на наелектрисање тог појединачног електрона, а пошто под условима равнотеже хемијски потенцијали електронских гасова оба метала биће једнака , потребно је само у разматрање додати и зависност хемијског потенцијала од температуре.

Дакле, разлика потенцијала коју ми разматрамо назива се разлика потенцијала унутрашњег контакта и одговара Волтином закону за серијске контакте.

Хајде да проценимо ову потенцијалну разлику, за то изражавамо Фермијеву енергију у смислу концентрације електрона проводљивости, а затим заменимо нумеричке вредности константи:

Дакле, на основу модела слободних електрона, разлика унутрашњег контактног потенцијала за метале је реда величине од стотих делова волта до неколико волти.