Kontaktpotentsiaali erinevus
Kui kaks kahest erinevast metallist valmistatud proovi surutakse tihedalt kokku, tekib nende vahel kontaktpotentsiaalide erinevus. Itaalia füüsik, keemik ja füsioloog Alessandro Volta avastas selle nähtuse 1797. aastal metallide elektrilisi omadusi uurides.
Siis leidis Volta, et kui ühendada metallid ahelas järgmises järjekorras: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, siis omandab iga järgmine metall saadud ahelas potentsiaal - madalam kui eelmine. Veelgi enam, teadlane avastas, et sel viisil kombineeritud mitmed metallid annavad moodustatud vooluringi otste vahel sama potentsiaalse erinevuse, sõltumata nende metallide paigutuse järjestusest selles vooluringis - seda positsiooni tuntakse nüüd Volta jadakontaktide seadusena. .
Siin on äärmiselt oluline mõista, et kontaktjärjestuse seaduse täpseks rakendamiseks on vajalik, et kogu metallahel oleks samal temperatuuril.
Kui see ahel on nüüd otstest enda peale suletud, siis seadusest tuleneb, et vooluringi EMF on null.Kuid ainult siis, kui kõik need (metall 1, metall 2, metall 3) on samal temperatuuril, vastasel juhul rikutakse põhilist loodusseadust – energia jäävuse seadust.
Erinevate metallipaaride puhul on kontaktpotentsiaalide erinevus oma, ulatudes kümnendikest ja sajandikkudest kuni mõne voldini.
Kontaktpotentsiaali erinevuse ilmnemise põhjuse mõistmiseks on mugav kasutada vabade elektronide mudelit.
Olgu mõlemad paari metallid absoluutse nulltemperatuuril, siis täituvad kõik energiatasemed, kaasa arvatud Fermi piir, elektronidega. Fermi energia väärtus (piir) on seotud juhtivuselektronide kontsentratsiooniga metallis järgmiselt:
m on elektroni puhkemass, h on Plancki konstant, n on juhtivuselektronide kontsentratsioon
Seda suhet arvesse võttes viime tihedasse kontakti kaks erineva Fermi energiaga ja seetõttu ka erineva juhtivuselektronide kontsentratsiooniga metalli.
Oletame meie näite puhul, et teises metallis on kõrge juhtivuselektronide kontsentratsioon ja sellest tulenevalt on teise metalli Fermi tase kõrgem kui esimesel.
Seejärel, kui metallid puutuvad kokku, algab elektronide difusioon (läbitungimine ühelt metallilt teise) metallist 2 metallist 1, kuna metallil 2 on täidetud energiatasemed, mis on üle esimese metalli Fermi taseme. , mis tähendab, et nende tasemete elektronid täidavad metalli 1 vabad kohad.
Elektronide vastupidine liikumine sellises olukorras on energeetiliselt võimatu, kuna teises metallis on kõik madalamad energiatasemed juba täielikult täidetud.Lõpuks saab metall 2 positiivselt ja metall 1 negatiivselt, samal ajal kui esimese metalli Fermi tase muutub kõrgemaks ja teise metalli tase väheneb. See muudatus on järgmine:
Selle tulemusena tekib kokkupuutuvate metallide ja vastava elektrivälja vahel potentsiaalide erinevus, mis takistab nüüd elektronide edasist difusiooni.
Selle protsess peatub täielikult, kui potentsiaalide erinevus saavutab teatud väärtuse, mis vastab kahe metalli Fermi tasemete võrdsusele, mille juures metallis 1 ei ole vabu tasemeid metallist 2 äsja saabunud elektronide jaoks ja metallis 2 metallist 1 elektronide migratsiooni võimalusest ei vabane ükski tase. Energiabilanss tuleb:
Kuna elektroni laeng on negatiivne, on meil potentsiaalide suhtes järgmine asukoht:
Kuigi algselt eeldasime, et metallide temperatuur on absoluutne null, tekib tasakaal samal viisil igal temperatuuril.
Fermi energia elektrivälja juuresolekul ei ole midagi muud kui ühe elektroni keemiline potentsiaal elektrongaasis, mis on seotud selle üksiku elektroni laenguga, ja kuna tasakaalutingimustes on mõlema metalli elektrongaaside keemilised potentsiaalid. on võrdne , on vaja lisada ainult keemilise potentsiaali sõltuvus temperatuurist.
Seega nimetatakse meie poolt vaadeldud potentsiaalide erinevust sisekontakti potentsiaalide erinevuseks ja see vastab Volta jadakontaktide seadusele.
Hindame seda potentsiaalset erinevust, selleks väljendame Fermi energiat juhtivuselektronide kontsentratsioonina, seejärel asendame konstantide arvväärtused:
Seega on vabade elektronide mudeli põhjal metallide sisekontakti potentsiaalide erinevus suurusjärgus sajandikvoldist kuni mitmevoldini.