Skillnad i kontaktpotential

Om två prover gjorda av två olika metaller pressas ihop hårt, kommer en kontaktpotentialskillnad att uppstå mellan dem. Den italienske fysikern, kemisten och fysiologen Alessandro Volta upptäckte detta fenomen 1797 när han studerade metallers elektriska egenskaper.

Sedan upptäckte Volta att om du kopplar samman metallerna i en kedja i denna ordning: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, så kommer varje efterföljande metall i den resulterande kedjan att förvärva en potential på - lägre än den föregående. Dessutom fann forskaren att flera metaller kombinerade på detta sätt kommer att ge samma potentialskillnad mellan ändarna av den bildade kretsen, oavsett ordningsföljden för dessa metaller i denna krets - denna position är nu känd som Voltas lag om seriekontakter .

Här är det extremt viktigt att förstå att för den exakta implementeringen av lagen om kontaktsekvens är det nödvändigt att hela metallkretsen har samma temperatur.

Om denna krets nu är sluten från ändarna på sig själv, så följer det av lagen att EMF i kretsen blir noll.Men bara om alla dessa (metall 1, metall 2, metall 3) håller samma temperatur, annars skulle naturlagen – lagen om energibevarande – kränkas.

För olika metallpar kommer kontaktpotentialskillnaden att vara sin egen, från tiondels och hundradels volt till några få volt.

För att förstå orsaken till utseendet på kontaktpotentialskillnaden är det bekvämt att använda den fria elektronmodellen.

Låt båda metallerna i paret vara vid absolut nolltemperatur, då kommer alla energinivåer, inklusive Fermi-gränsen, att fyllas med elektroner. Värdet på Fermi-energin (gränsen) är relaterat till koncentrationen av ledningselektroner i metallen enligt följande:

m är elektronens vilomassa, h är Plancks konstant, n är koncentrationen av ledningselektroner

Med hänsyn till detta förhållande bringar vi nära kontakt med två metaller med olika Fermi-energier och därför med olika koncentrationer av ledningselektroner.

Låt oss för vårt exempel anta att den andra metallen har en hög koncentration av ledningselektroner och följaktligen är Fermi-nivån för den andra metallen högre än den för den första.

Sedan, när metallerna kommer i kontakt med varandra, kommer en diffusion (penetration från en metall till en annan) av elektroner att börja från metall 2 till metall 1, eftersom metall 2 har fyllda energinivåer som ligger över Fermi-nivån för den första metallen , vilket innebär att elektroner från dessa nivåer kommer att fylla metall 1-vakanser.

Den omvända rörelsen av elektroner i en sådan situation är energetiskt omöjlig, eftersom i den andra metallen är alla lägre energinivåer redan helt fyllda.Så småningom kommer metall 2 att bli positivt laddad och metall 1 negativt laddad, medan Fermi-nivån för den första metallen blir högre än den var, och den för den andra metallen kommer att minska. Denna ändring kommer att vara följande:

Som ett resultat kommer en potentialskillnad att uppstå mellan de kontaktande metallerna och det motsvarande elektriska fältet, vilket nu kommer att förhindra ytterligare diffusion av elektroner.

Dess process kommer att sluta helt när potentialskillnaden når ett visst värde som motsvarar likheten mellan Fermi-nivåerna för de två metallerna, där det inte kommer att finnas några fria nivåer i metall 1 för de nyligen anlända elektronerna från metall 2, och i metall 2 inga nivåer kommer att frigöras på möjligheten till elektronmigrering från metall 1. Energibalansen kommer:

Eftersom elektronens laddning är negativ kommer vi att ha följande position i förhållande till potentialerna:

Även om vi ursprungligen har antagit att temperaturen på metallerna är absolut noll, kommer ändå jämvikt att uppstå vid vilken temperatur som helst på ett liknande sätt.

Fermi-energin i närvaro av ett elektriskt fält kommer inte att vara något annat än den kemiska potentialen för en enskild elektron i en elektrongas hänvisad till laddningen av den enstaka elektronen, och eftersom under jämviktsförhållanden de kemiska potentialerna för elektrongaserna i båda metallerna kommer att vara lika, är det bara nödvändigt att lägga till övervägandet beroendet av den kemiska potentialen på temperaturen.

Så den potentialskillnad som vi betraktar kallas den interna kontaktpotentialskillnaden och motsvarar Voltas lag för seriekontakter.

Låt oss uppskatta denna potentialskillnad, för detta uttrycker vi Fermi-energin i termer av koncentrationen av ledningselektroner, och ersätter sedan de numeriska värdena för konstanter:

Sålunda, baserat på den fria elektronmodellen, är den interna kontaktpotentialskillnaden för metaller i storleksordningen från hundradelar av en volt till flera volt.