Kontakta potenciāla atšķirība
Ja divus paraugus, kas izgatavoti no diviem dažādiem metāliem, cieši saspiež kopā, tad starp tiem radīsies kontakta potenciāla atšķirība. Itāļu fiziķis, ķīmiķis un fiziologs Alesandro Volta atklāja šo fenomenu 1797. gadā, pētot metālu elektriskās īpašības.
Tad Volta atklāja, ka, savienojot metālus ķēdē šādā secībā: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, tad katrs nākamais metāls iegūtajā ķēdē iegūs potenciāls - zemāks nekā iepriekšējais. Turklāt zinātnieks atklāja, ka šādi apvienoti vairāki metāli radīs vienādu potenciālu starpību starp izveidotās ķēdes galiem neatkarīgi no šo metālu izvietojuma secības šajā ķēdē - šī pozīcija tagad ir pazīstama kā Volta virknes kontaktu likums. .
Šeit ir ārkārtīgi svarīgi saprast, ka, lai precīzi īstenotu kontaktu secības likumu, ir nepieciešams, lai visa metāla ķēde būtu vienā temperatūrā.
Ja šī ķēde tagad ir aizvērta no galiem uz sevi, tad no likuma izriet, ka EMF ķēdē būs nulle.Bet tikai tad, ja visi šie (metāls 1, metāls 2, metāls 3) ir vienā temperatūrā, pretējā gadījumā tiks pārkāpts dabas pamatlikums — enerģijas nezūdamības likums.
Dažādiem metālu pāriem kontakta potenciāla atšķirība būs sava, sākot no volta desmitdaļām un simtdaļām līdz dažiem voltiem.
Lai saprastu kontakta potenciāla atšķirības parādīšanās iemeslu, ir ērti izmantot brīvo elektronu modeli.
Ļaujiet abiem pāra metāliem būt absolūtā nulles temperatūrā, tad visi enerģijas līmeņi, ieskaitot Fermi robežu, tiks piepildīti ar elektroniem. Fermi enerģijas vērtība (robeža) ir saistīta ar vadītspējas elektronu koncentrāciju metālā šādi:
m ir elektrona miera masa, h ir Planka konstante, n ir vadītspējas elektronu koncentrācija
Ņemot vērā šo attiecību, mēs nonākam ciešā saskarē divus metālus ar atšķirīgu Fermi enerģiju un tādējādi ar atšķirīgu vadītspējas elektronu koncentrāciju.
Pieņemsim mūsu piemērā, ka otrajam metālam ir augsta vadītspējas elektronu koncentrācija un attiecīgi otrā metāla Fermi līmenis ir augstāks nekā pirmajam.
Tad, metāliem saskaroties vienam ar otru, sāksies elektronu difūzija (iekļūšana no viena metāla uz otru) no metāla 2 uz metālu 1, jo metāls 2 ir piepildījis enerģijas līmeņus, kas ir virs pirmā metāla Fermi līmeņa. , kas nozīmē, ka elektroni no šiem līmeņiem aizpildīs metāla 1 vakances.
Elektronu apgrieztā kustība šādā situācijā ir enerģētiski neiespējama, jo otrajā metālā visi zemākie enerģijas līmeņi jau ir pilnībā piepildīti.Galu galā metāls 2 kļūs pozitīvi lādēts un metāls 1 negatīvi, savukārt pirmā metāla Fermi līmenis kļūs augstāks nekā tas bija, bet otrā metāla līmenis samazināsies. Šīs izmaiņas būs šādas:
Rezultātā radīsies potenciāla atšķirība starp saskarē esošajiem metāliem un atbilstošo elektrisko lauku, kas tagad novērsīs elektronu tālāku difūziju.
Tās process pilnībā apstāsies, kad potenciāla starpība sasniegs noteiktu vērtību, kas atbilst abu metālu Fermi līmeņu vienādībai, pie kuras nebūs brīvu līmeņu metālā 1 jaunpienāktajiem elektroniem no metāla 2 un metālā 2 neatbrīvosies nekādi līmeņi uz elektronu migrācijas iespējamību no metāla 1. Enerģijas bilance nāks:
Tā kā elektrona lādiņš ir negatīvs, mums būs šāda pozīcija attiecībā pret potenciāliem:
Lai gan sākotnēji mēs pieņēmām, ka metālu temperatūra ir absolūta nulle, līdzīgs līdzsvars iestāsies jebkurā temperatūrā.
Fermi enerģija elektriskā lauka klātbūtnē nebūs nekas cits kā viena elektrona ķīmiskais potenciāls elektronu gāzē, kas attiecas uz šī viena elektrona lādiņu, un tā kā līdzsvara apstākļos abu metālu elektronu gāzu ķīmiskie potenciāli. būs vienāds , tikai jāņem vērā ķīmiskā potenciāla atkarība no temperatūras.
Tātad mūsu aplūkotā potenciāla starpība tiek saukta par iekšējo kontaktu potenciālu starpību un atbilst Volta likumam virknes kontaktiem.
Novērtēsim šo potenciālo atšķirību, tam mēs izsakām Fermi enerģiju vadīšanas elektronu koncentrācijas izteiksmē, pēc tam aizstājam konstantu skaitliskās vērtības:
Tādējādi, pamatojoties uz brīvo elektronu modeli, iekšējo kontaktu potenciālu starpība metāliem ir apmēram no volta simtdaļām līdz vairākiem voltiem.