Rozdiel v kontaktnom potenciáli
Ak sú dve vzorky vyrobené z dvoch rôznych kovov pevne zlisované, dôjde medzi nimi k rozdielu kontaktného potenciálu. Taliansky fyzik, chemik a fyziológ Alessandro Volta objavil tento jav v roku 1797 pri štúdiu elektrických vlastností kovov.
Potom Volta zistil, že ak spojíte kovy do reťazca v tomto poradí: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, potom každý nasledujúci kov vo výslednom reťazci získa potenciál - nižší ako predchádzajúci. Okrem toho vedec zistil, že niekoľko kovov kombinovaných týmto spôsobom poskytne rovnaký potenciálny rozdiel medzi koncami vytvoreného obvodu, bez ohľadu na postupnosť usporiadania týchto kovov v tomto obvode - táto poloha je teraz známa ako Voltov zákon sériových kontaktov. .
Tu je mimoriadne dôležité pochopiť, že pre presnú implementáciu zákona o postupnosti kontaktov je potrebné, aby celý kovový okruh mal rovnakú teplotu.
Ak je tento okruh teraz uzavretý z koncov na sebe, potom zo zákona vyplýva, že EMF v okruhu bude nula.Ale iba ak by všetky tieto (kov 1, kov 2, kov 3) mali rovnakú teplotu, inak by bol porušený základný prírodný zákon – zákon zachovania energie.
Pre rôzne páry kovov bude rozdiel kontaktného potenciálu vlastný, v rozsahu od desatín a stotín voltu až po niekoľko voltov.
Aby sme pochopili dôvod vzniku rozdielu kontaktného potenciálu, je vhodné použiť model voľných elektrónov.
Nech majú oba kovy páru teplotu absolútnej nuly, potom budú všetky energetické hladiny vrátane Fermiho limitu naplnené elektrónmi. Hodnota Fermiho energie (limit) súvisí s koncentráciou vodivých elektrónov v kove nasledovne:
m je pokojová hmotnosť elektrónu, h je Planckova konštanta, n je koncentrácia vodivých elektrónov
Ak vezmeme do úvahy tento pomer, privedieme do úzkeho kontaktu dva kovy s rôznymi Fermiho energiami, a teda s rôznymi koncentráciami vodivých elektrónov.
Predpokladajme pre náš príklad, že druhý kov má vysokú koncentráciu vodivých elektrónov a teda Fermiho hladina druhého kovu je vyššia ako hladina prvého.
Potom, keď sa kovy dostanú do vzájomného kontaktu, začne difúzia (penetrácia z jedného kovu do druhého) elektrónov z kovu 2 do kovu 1, pretože kov 2 naplnil energetické hladiny, ktoré sú nad úrovňou Fermi prvého kovu. , čo znamená, že elektróny z týchto úrovní zaplnia kovové 1 voľné miesta.
Spätný pohyb elektrónov v takejto situácii je energeticky nemožný, pretože v druhom kove sú všetky nižšie energetické hladiny už úplne naplnené.Nakoniec sa kov 2 nabije kladne a kov 1 záporne, pričom Fermiho hladina prvého kovu bude vyššia ako bola a hladina druhého kovu sa zníži. Táto zmena bude nasledovná:
V dôsledku toho vznikne potenciálny rozdiel medzi kontaktnými kovmi a zodpovedajúcim elektrickým poľom, ktorý teraz zabráni ďalšej difúzii elektrónov.
Jeho proces sa úplne zastaví, keď potenciálny rozdiel dosiahne určitú hodnotu zodpovedajúcu rovnosti Fermiho hladín dvoch kovov, pri ktorej nebudú v kove 1 žiadne voľné hladiny pre novo prichádzajúce elektróny z kovu 2 a v kove 2 žiadne úrovne nebudú oslobodené od možnosti migrácie elektrónov z kovu 1. Energetická bilancia príde:
Keďže náboj elektrónu je záporný, vzhľadom na potenciály budeme mať nasledujúcu polohu:
Hoci sme pôvodne predpokladali, že teplota kovov je absolútna nula, podobným spôsobom nastane rovnováha pri akejkoľvek teplote.
Fermiho energia v prítomnosti elektrického poľa nebude ničím iným ako chemickým potenciálom jedného elektrónu v elektrónovom plyne vzhľadom na náboj tohto jediného elektrónu, a keďže za rovnovážnych podmienok chemické potenciály elektrónových plynov oboch kovov sa bude rovnať , do úvahy je len potrebné pridať závislosť chemického potenciálu od teploty.
Takže potenciálny rozdiel, ktorý zvažujeme, sa nazýva interný kontaktný potenciálny rozdiel a zodpovedá Voltovmu zákonu pre sériové kontakty.
Odhadnime tento potenciálny rozdiel, preto vyjadríme Fermiho energiu z hľadiska koncentrácie vodivých elektrónov, potom dosadíme číselné hodnoty konštánt:
Na základe modelu voľných elektrónov je teda rozdiel vnútorného kontaktného potenciálu pre kovy rádovo od stotín voltu po niekoľko voltov.