Razlika v kontaktnem potencialu

Če sta dva vzorca iz dveh različnih kovin tesno stisnjena skupaj, bo med njima nastala kontaktna potencialna razlika. Italijanski fizik, kemik in fiziolog Alessandro Volta je leta 1797 med preučevanjem električnih lastnosti kovin odkril ta pojav.

Nato je Volta ugotovil, da če kovine povežete v verigo v tem vrstnem redu: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, bo vsaka naslednja kovina v nastali verigi pridobila potencial - nižji od prejšnjega. Poleg tega je znanstvenik ugotovil, da bo več kovin, združenih na ta način, dalo enako potencialno razliko med koncema oblikovanega vezja, ne glede na zaporedje razporeditve teh kovin v tem vezju - ta položaj je zdaj znan kot Voltin zakon serijskih kontaktov .

Pri tem je izredno pomembno razumeti, da je za natančno izvajanje zakona kontaktnega zaporedja potrebno, da je celoten kovinski tokokrog na isti temperaturi.

Če je to vezje zdaj zaprto s koncev na sebi, potem iz zakona sledi, da bo EMF v vezju nič.A le, če imajo vse te (kovina 1, kovina 2, kovina 3) enako temperaturo, sicer bi bil kršen osnovni naravni zakon – zakon o ohranitvi energije.

Za različne pare kovin bo razlika kontaktnega potenciala lastna in se giblje od desetink in stotink volta do nekaj voltov.

Da bi razumeli razlog za pojav kontaktne potencialne razlike, je priročno uporabiti model prostih elektronov.

Naj imata obe kovini para temperaturo absolutne ničle, potem bodo vse energijske ravni, vključno s Fermijevo mejo, napolnjene z elektroni. Vrednost Fermijeve energije (meja) je povezana s koncentracijo prevodnih elektronov v kovini na naslednji način:

m je masa mirovanja elektrona, h je Planckova konstanta, n je koncentracija prevodnih elektronov

Ob upoštevanju tega razmerja spravimo v tesni stik dve kovini z različno Fermijevo energijo in s tem z različno koncentracijo prevodnih elektronov.

Za naš primer predpostavimo, da ima druga kovina visoko koncentracijo prevodnih elektronov in je zato Fermijev nivo druge kovine višji od nivoja prve.

Potem, ko prideta kovini v stik druga z drugo, se bo začela difuzija (prodor iz ene kovine v drugo) elektronov od kovine 2 do kovine 1, ker ima kovina 2 zapolnjene energijske nivoje, ki so nad Fermijevim nivojem prve kovine. , kar pomeni, da bodo elektroni s teh ravni zapolnili prazna mesta kovine 1.

Povratno gibanje elektronov v takšni situaciji je energijsko nemogoče, saj so v drugi kovini vsi nižji energijski nivoji že popolnoma zapolnjeni.Sčasoma bo kovina 2 postala pozitivno nabita, kovina 1 pa negativno nabita, medtem ko bo Fermijeva raven prve kovine postala višja, kot je bila, raven druge kovine pa se bo zmanjšala. Ta sprememba bo naslednja:

Posledično bo med kovinami v stiku in pripadajočim električnim poljem nastala potencialna razlika, ki bo zdaj preprečila nadaljnjo difuzijo elektronov.

Njegov proces se bo popolnoma ustavil, ko bo potencialna razlika dosegla določeno vrednost, ki ustreza enakosti Fermijevih nivojev obeh kovin, pri kateri v kovini 1 ne bo več prostih ravni za novo prispele elektrone iz kovine 2 in v kovini 2 nobena raven se ne bo sprostila zaradi možnosti migracije elektronov iz kovine 1. Energijska bilanca bo prišla:

Ker je naboj elektrona negativen, bomo glede na potenciale imeli naslednji položaj:

Čeprav smo prvotno domnevali, da je temperatura kovin absolutna ničla, bo ravnotežje na podoben način nastopilo pri kateri koli temperaturi.

Fermijeva energija v prisotnosti električnega polja ne bo nič drugega kot kemijski potencial posameznega elektrona v elektronskem plinu, ki se nanaša na naboj tega posameznega elektrona, in ker pod ravnotežnimi pogoji kemijski potenciali elektronskih plinov obeh kovin bo enaka, je treba k razmisleku dodati le odvisnost kemijskega potenciala od temperature.

Torej se potencialna razlika, ki jo obravnavamo, imenuje notranja kontaktna potencialna razlika in ustreza Voltovemu zakonu za serijske kontakte.

Ocenimo to potencialno razliko, za to izrazimo Fermijevo energijo v smislu koncentracije prevodnih elektronov, nato pa nadomestimo numerične vrednosti konstant:

Tako je na podlagi modela prostih elektronov notranja kontaktna potencialna razlika za kovine velikosti od stotink volta do nekaj voltov.