Forskel i kontaktpotentiale

Hvis to prøver lavet af to forskellige metaller presses tæt sammen, vil der opstå en kontaktpotentialeforskel mellem dem. Den italienske fysiker, kemiker og fysiolog Alessandro Volta opdagede dette fænomen i 1797, mens han studerede metallers elektriske egenskaber.

Så fandt Volta ud af, at hvis du forbinder metallerne i en kæde i denne rækkefølge: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, så vil hvert efterfølgende metal i den resulterende kæde erhverve et potentiale på - lavere end det foregående. Desuden fandt videnskabsmanden, at flere metaller kombineret på denne måde vil give den samme potentialeforskel mellem enderne af det dannede kredsløb, uanset rækkefølgen af ​​arrangementet af disse metaller i dette kredsløb - denne position er nu kendt som Voltas lov om seriekontakter .

Her er det ekstremt vigtigt at forstå, at for den nøjagtige implementering af loven om kontaktsekvens er det nødvendigt, at hele metalkredsløbet har samme temperatur.

Hvis dette kredsløb nu er lukket fra enderne på sig selv, så følger det af loven, at EMF i kredsløbet vil være nul.Men kun hvis alle disse (metal 1, metal 2, metal 3) har samme temperatur, ellers ville den grundlæggende naturlov – loven om bevarelse af energi – blive overtrådt.

For forskellige par metaller vil kontaktpotentialforskellen være sin egen, der spænder fra tiendedele og hundrededele af en volt til nogle få volt.

For at forstå årsagen til udseendet af kontaktpotentialeforskellen er det praktisk at bruge den frie elektronmodel.

Lad begge metaller i parret være ved absolut nultemperatur, så vil alle energiniveauer, inklusive Fermi-grænsen, være fyldt med elektroner. Værdien af ​​Fermi-energien (grænsen) er relateret til koncentrationen af ​​ledningselektroner i metallet som følger:

m er elektronens hvilemasse, h er Plancks konstant, n er koncentrationen af ​​ledningselektroner

Under hensyntagen til dette forhold bringer vi to metaller i tæt kontakt med forskellige Fermi-energier og derfor med forskellige koncentrationer af ledningselektroner.

Lad os for vores eksempel antage, at det andet metal har en høj koncentration af ledningselektroner, og derfor er Fermi-niveauet af det andet metal højere end det første.

Så, når metallerne kommer i kontakt med hinanden, vil en diffusion (penetration fra et metal til et andet) af elektroner begynde fra metal 2 til metal 1, fordi metal 2 har fyldte energiniveauer, der er over Fermi-niveauet for det første metal , hvilket betyder, at elektroner fra disse niveauer vil udfylde metal 1 ledige pladser.

Den omvendte bevægelse af elektroner i en sådan situation er energetisk umulig, da i det andet metal er alle de lavere energiniveauer allerede helt fyldt.Til sidst vil metal 2 blive positivt ladet og metal 1 negativt ladet, mens Fermi-niveauet i det første metal bliver højere end det var, og det andet metals niveau vil falde. Denne ændring vil være som følger:

Som følge heraf vil der opstå en potentialforskel mellem de kontaktende metaller og det tilsvarende elektriske felt, som nu vil forhindre yderligere diffusion af elektroner.

Dens proces vil stoppe fuldstændig, når potentialforskellen når en vis værdi svarende til ligheden af ​​Fermi-niveauerne for de to metaller, hvor der ikke vil være frie niveauer i metal 1 for de nyligt ankomne elektroner fra metal 2 og i metal 2 der frigøres ingen niveauer for muligheden for elektronmigrering fra metal 1. Energibalancen kommer:

Da elektronens ladning er negativ, vil vi have følgende position i forhold til potentialerne:

Selvom vi oprindeligt har antaget, at metallernes temperatur er det absolutte nulpunkt, vil der dog på lignende måde opstå ligevægt ved enhver temperatur.

Fermi-energien i nærvær af et elektrisk felt vil ikke være andet end det kemiske potentiale af en enkelt elektron i en elektrongas refereret til ladningen af ​​den enkelte elektron, og da under ligevægtsbetingelser de kemiske potentialer af elektrongasserne i begge metaller vil være ens, er det kun nødvendigt at føje til betragtningen afhængigheden af ​​det kemiske potentiale af temperaturen.

Så den potentialforskel, vi betragter, kaldes den interne kontaktpotentialeforskel og svarer til Voltas lov for seriekontakter.

Lad os estimere denne potentielle forskel, for dette udtrykker vi Fermi-energien i form af koncentrationen af ​​ledningselektroner, og erstatter derefter de numeriske værdier af konstanter:

Baseret på den frie elektronmodel er den interne kontaktpotentialeforskel for metaller således i størrelsesordenen fra hundrededele af en volt til flere volt.