Rozdíl v kontaktním potenciálu

Jsou-li dva vzorky vyrobené ze dvou různých kovů těsně k sobě přitlačeny, vznikne mezi nimi rozdíl kontaktních potenciálů. Italský fyzik, chemik a fyziolog Alessandro Volta objevil tento jev v roce 1797 při studiu elektrických vlastností kovů.

Pak Volta zjistil, že pokud spojíte kovy do řetězce v tomto pořadí: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, pak každý následující kov ve výsledném řetězci získá potenciál - nižší než předchozí. Vědec navíc zjistil, že několik kovů kombinovaných tímto způsobem poskytne stejný potenciálový rozdíl mezi konci vytvořeného obvodu, bez ohledu na pořadí uspořádání těchto kovů v tomto obvodu - tato poloha je nyní známá jako Voltův zákon sériových kontaktů. .

Zde je nesmírně důležité pochopit, že pro přesnou implementaci zákona o posloupnosti kontaktů je nutné, aby celý kovový obvod měl stejnou teplotu.

Pokud je tento obvod nyní uzavřen od konců na sobě, pak ze zákona vyplývá, že EMF v obvodu bude nulové.Ale pouze pokud by všechny tyto (kov 1, kov 2, kov 3) měly stejnou teplotu, jinak by byl porušen základní přírodní zákon – zákon zachování energie.

Pro různé páry kovů bude rozdíl kontaktních potenciálů vlastní, v rozmezí od desetin a setin voltu až po několik voltů.

Abychom pochopili důvod výskytu rozdílu kontaktního potenciálu, je vhodné použít model volných elektronů.

Nechte oba kovy z páru mít teplotu absolutní nuly, pak budou všechny energetické hladiny včetně Fermiho limity vyplněny elektrony. Hodnota Fermiho energie (mez) souvisí s koncentrací vodivostních elektronů v kovu takto:

m je klidová hmotnost elektronu, h je Planckova konstanta, n je koncentrace vodivostních elektronů

Vezmeme-li v úvahu tento poměr, přivedeme do těsného kontaktu dva kovy s různými Fermiho energiemi a tedy s různými koncentracemi vodivostních elektronů.

Předpokládejme pro náš příklad, že druhý kov má vysokou koncentraci vodivostních elektronů a podle toho je Fermiho hladina druhého kovu vyšší než u prvního.

Poté, když se kovy dostanou do vzájemného kontaktu, začne difúze (pronikání z jednoho kovu do druhého) elektronů z kovu 2 do kovu 1, protože kov 2 naplnil energetické hladiny, které jsou nad Fermiho hladinou prvního kovu. , což znamená, že elektrony z těchto úrovní zaplní volná místa kovu 1.

Zpětný pohyb elektronů v takové situaci je energeticky nemožný, protože ve druhém kovu jsou všechny nižší energetické hladiny již zcela naplněny.Nakonec se kov 2 nabije kladně a kov 1 záporně, zatímco Fermiho hladina prvního kovu bude vyšší, než byla, a hladina druhého kovu se sníží. Tato změna bude následující:

V důsledku toho vznikne mezi kontaktujícími kovy a odpovídajícím elektrickým polem potenciálový rozdíl, který nyní zabrání další difúzi elektronů.

Jeho proces se úplně zastaví, když rozdíl potenciálů dosáhne určité hodnoty odpovídající rovnosti Fermiho hladin obou kovů, při které nebudou v kovu 1 žádné volné hladiny pro nově příchozí elektrony z kovu 2 a v kovu 2 žádné úrovně nebudou osvobozeny od možnosti migrace elektronů z kovu 1. Energetická bilance přijde:

Protože náboj elektronu je záporný, budeme mít vzhledem k potenciálům následující polohu:

Ačkoli jsme původně předpokládali teplotu kovů absolutní nulu, přesto podobným způsobem nastane rovnováha při jakékoli teplotě.

Fermiho energie v přítomnosti elektrického pole nebude nic jiného než chemický potenciál jednoho elektronu v elektronovém plynu vztažený na náboj tohoto jediného elektronu, a protože za rovnovážných podmínek chemické potenciály elektronových plynů obou kovů se bude rovnat , k úvaze je pouze nutné přidat závislost chemického potenciálu na teplotě.

Námi uvažovaný potenciálový rozdíl se nazývá rozdíl vnitřního kontaktu a odpovídá Voltově zákonu pro sériové kontakty.

Pojďme odhadnout tento potenciální rozdíl, k tomu vyjádříme Fermiho energii jako koncentraci vodivostních elektronů, pak dosadíme číselné hodnoty konstant:

Na základě modelu volných elektronů je tedy rozdíl vnitřního kontaktního potenciálu pro kovy řádově od setin voltu do několika voltů.