Diferența de potențial de contact

Dacă două mostre din două metale diferite sunt presate strâns împreună, atunci va apărea o diferență de potențial de contact între ele. Fizicianul, chimistul și fiziologul italian Alessandro Volta a descoperit acest fenomen în 1797 în timp ce studia proprietățile electrice ale metalelor.

Apoi Volta a descoperit că dacă conectați metalele dintr-un lanț în această ordine: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, atunci fiecare metal ulterior din lanțul rezultat va dobândi un potenţial de – mai mic decât cel precedent. Mai mult, omul de știință a descoperit că mai multe metale combinate în acest fel vor da aceeași diferență de potențial între capetele circuitului format, indiferent de succesiunea de aranjare a acestor metale în acest circuit - această poziție este acum cunoscută ca legea lui Volta a contactelor în serie. .

Aici este extrem de important să înțelegem că pentru implementarea exactă a legii secvenței contactelor, este necesar ca întregul circuit metalic să fie la aceeași temperatură.

Dacă acest circuit este acum închis de la capete pe el însuși, atunci din legea rezultă că EMF din circuit va fi zero.Dar numai dacă toate acestea (metal 1, metal 2, metal 3) sunt la aceeași temperatură, altfel legea de bază a naturii – legea conservării energiei – ar fi încălcată.

Pentru diferite perechi de metale, diferența de potențial de contact va fi proprie, variind de la zecimi și sutimi de volți până la câțiva volți.

Pentru a înțelege motivul apariției diferenței de potențial de contact, este convenabil să folosiți modelul cu electroni liberi.

Lăsați ambele metale ale perechii să fie la temperatura zero absolută, apoi toate nivelurile de energie, inclusiv limita Fermi, vor fi umplute cu electroni. Valoarea energiei Fermi (limită) este legată de concentrația electronilor de conducție în metal, după cum urmează:

m este masa în repaus a electronului, h este constanta lui Planck, n este concentrația electronilor de conducere

Ținând cont de acest raport, aducem în strâns contact două metale cu energii Fermi diferite și deci cu concentrații diferite de electroni de conducere.

Să presupunem pentru exemplul nostru că al doilea metal are o concentrație mare de electroni de conducție și, în consecință, nivelul Fermi al celui de-al doilea metal este mai mare decât cel al primului.

Apoi, când metalele intră în contact unele cu altele, o difuzie (penetrare de la un metal la altul) a electronilor va începe de la metalul 2 la metalul 1, deoarece metalul 2 a umplut niveluri de energie care sunt peste nivelul Fermi al primului metal. , ceea ce înseamnă că electronii de la aceste niveluri vor ocupa locurile libere ale metalului 1.

Mișcarea inversă a electronilor într-o astfel de situație este imposibilă din punct de vedere energetic, deoarece în al doilea metal toate nivelurile inferioare de energie sunt deja complet umplute.În cele din urmă, metalul 2 va deveni încărcat pozitiv și metalul 1 încărcat negativ, în timp ce nivelul Fermi al primului metal va deveni mai mare decât era, iar cel al celui de-al doilea metal va scădea. Această modificare va fi după cum urmează:

Ca urmare, va apărea o diferență de potențial între metalele care vin în contact și câmpul electric corespunzător, care va împiedica acum difuzarea ulterioară a electronilor.

Procesul său se va opri complet atunci când diferența de potențial va atinge o anumită valoare corespunzătoare egalității nivelurilor Fermi ale celor două metale, la care nu vor exista niveluri libere în metalul 1 pentru electronii nou sosiți din metalul 2 și în metalul 2. nu vor fi eliberate niveluri cu privire la posibilitatea migrării electronilor din metalul 1. Bilanțul energetic va veni:

Deoarece sarcina electronului este negativă, vom avea următoarea poziție față de potențiale:

Deși inițial am presupus că temperatura metalelor este zero absolut, totuși, într-un mod similar, echilibrul va avea loc la orice temperatură.

Energia Fermi în prezența unui câmp electric nu va fi altceva decât potențialul chimic al unui singur electron într-un gaz de electroni, raportat la sarcina acelui electron unic, și deoarece în condiții de echilibru potențialele chimice ale gazelor electronice ale ambelor metale va fi egală, este necesar doar să se adauge la considerare dependența potențialului chimic de temperatură.

Deci, diferența de potențial luată în considerare de noi se numește diferență de potențial de contact intern și corespunde legii lui Volta pentru contactele în serie.

Să estimăm această diferență de potențial, pentru aceasta exprimăm energia Fermi în termeni de concentrație de electroni de conducere, apoi înlocuim valorile numerice ale constantelor:

Astfel, pe baza modelului cu electroni liberi, diferența de potențial de contact intern pentru metale este de ordinul mărimii de la sutimi de volți la câțiva volți.