Forskjell i kontaktpotensial
Hvis to prøver laget av to forskjellige metaller presses tett sammen, vil det oppstå en kontaktpotensialforskjell mellom dem. Den italienske fysikeren, kjemikeren og fysiologen Alessandro Volta oppdaget dette fenomenet i 1797 mens han studerte de elektriske egenskapene til metaller.
Så fant Volta ut at hvis du kobler metallene i en kjede i denne rekkefølgen: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, så vil hvert påfølgende metall i den resulterende kjeden få et potensial på - lavere enn den forrige. Videre fant forskeren at flere metaller kombinert på denne måten vil gi den samme potensielle forskjellen mellom endene av kretsen som dannes, uavhengig av rekkefølgen av arrangement av disse metallene i denne kretsen - denne posisjonen er nå kjent som Voltas lov om seriekontakter .
Her er det ekstremt viktig å forstå at for den nøyaktige implementeringen av loven om kontaktsekvens, er det nødvendig at hele metallkretsen har samme temperatur.
Hvis denne kretsen nå er lukket fra endene på seg selv, så følger det av loven at EMF i kretsen vil være null.Men bare hvis alle disse (metall 1, metall 2, metall 3) har samme temperatur, ellers ville den grunnleggende naturloven – loven om bevaring av energi – bli brutt.
For forskjellige metallpar vil kontaktpotensialforskjellen være sin egen, fra tideler og hundredeler av en volt til noen få volt.
For å forstå årsaken til utseendet til kontaktpotensialforskjellen, er det praktisk å bruke den frie elektronmodellen.
La begge metallene i paret være ved absolutt null temperatur, så vil alle energinivåer, inkludert Fermi-grensen, bli fylt med elektroner. Verdien av Fermi-energien (grensen) er relatert til konsentrasjonen av ledningselektroner i metallet som følger:
m er hvilemassen til elektronet, h er Plancks konstant, n er konsentrasjonen av ledningselektroner
Med dette forholdet i betraktning, bringer vi i nær kontakt med to metaller med forskjellige Fermi-energier og derfor med forskjellige konsentrasjoner av ledningselektroner.
La oss anta for vårt eksempel at det andre metallet har en høy konsentrasjon av ledningselektroner og følgelig er Fermi-nivået til det andre metallet høyere enn det første.
Så, når metallene kommer i kontakt med hverandre, vil en diffusjon (penetrasjon fra ett metall til et annet) av elektroner begynne fra metall 2 til metall 1, fordi metall 2 har fylte energinivåer som er over Fermi-nivået til det første metallet. , som betyr at elektroner fra disse nivåene vil fylle metall 1 ledige stillinger.
Den omvendte bevegelsen av elektroner i en slik situasjon er energisk umulig, siden i det andre metallet er alle de lavere energinivåene allerede fullstendig fylt.Etter hvert vil metall 2 bli positivt ladet og metall 1 negativt ladet, mens Fermi-nivået til det første metallet vil bli høyere enn det var, og det til det andre metallet vil avta. Denne endringen blir som følger:
Som et resultat vil det oppstå en potensialforskjell mellom kontaktmetallene og det tilsvarende elektriske feltet, som nå vil forhindre videre diffusjon av elektroner.
Prosessen vil stoppe helt når potensialforskjellen når en viss verdi som tilsvarer likheten av Fermi-nivåene til de to metallene, hvor det ikke vil være noen frie nivåer i metall 1 for de nylig ankomne elektronene fra metall 2, og i metall 2 ingen nivåer vil frigjøres på muligheten for elektronmigrasjon fra metall 1. Energibalansen kommer:
Siden ladningen til elektronet er negativ, vil vi ha følgende posisjon i forhold til potensialene:
Selv om vi opprinnelig har antatt at temperaturen på metallene er absolutt null, vil likevekt oppstå på en lignende måte ved enhver temperatur.
Fermi-energien i nærvær av et elektrisk felt vil ikke være noe mer enn det kjemiske potensialet til et enkelt elektron i en elektrongass referert til ladningen til det enkelt elektronet, og siden under likevektsforhold de kjemiske potensialene til elektrongassene til begge metaller vil være lik , er det bare nødvendig å legge til betraktningen avhengigheten av det kjemiske potensialet på temperaturen.
Så, potensialforskjellen vurdert av oss kalles den interne kontaktpotensialforskjellen og tilsvarer Voltas lov for seriekontakter.
La oss estimere denne potensielle forskjellen, for dette uttrykker vi Fermi-energien i form av konsentrasjonen av ledningselektroner, og erstatter deretter de numeriske verdiene til konstanter:
Basert på den frie elektronmodellen er således den interne kontaktpotensialforskjellen for metaller i størrelsesorden fra hundredeler av en volt til flere volt.