Razlika u kontaktnom potencijalu
Ako se dva uzorka izrađena od dva različita metala čvrsto stisnu jedan uz drugog, tada će se između njih pojaviti kontaktna razlika potencijala. Talijanski fizičar, kemičar i fiziolog Alessandro Volta otkrio je ovaj fenomen 1797. godine dok je proučavao električna svojstva metala.
Zatim je Volta otkrio da ako spojite metale u lanac ovim redom: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, tada će svaki sljedeći metal u rezultirajućem lancu dobiti potencijal - manji od prethodnog. Štoviše, znanstvenik je otkrio da će nekoliko metala kombiniranih na ovaj način dati istu razliku potencijala između krajeva formiranog strujnog kruga, bez obzira na redoslijed rasporeda tih metala u ovom strujnom krugu - taj položaj je sada poznat kao Voltin zakon serijskih kontakata .
Ovdje je iznimno važno razumjeti da je za točnu provedbu zakona kontaktnog slijeda potrebno da cijeli metalni krug bude na istoj temperaturi.
Ako je sada ovaj krug zatvoren s krajeva na sebe, tada iz zakona slijedi da će EMF u krugu biti nula.Ali samo ako su svi ovi (metal 1, metal 2, metal 3) na istoj temperaturi, inače bi osnovni zakon prirode - zakon održanja energije - bio prekršen.
Za različite parove metala razlika kontaktnog potencijala bit će vlastita, u rasponu od desetinki i stotinki volta do nekoliko volti.
Da bismo razumjeli razlog pojave kontaktne potencijalne razlike, prikladno je koristiti model slobodnih elektrona.
Neka oba metala iz para budu na temperaturi apsolutnoj nuli, tada će sve energetske razine, uključujući Fermijev limit, biti ispunjene elektronima. Vrijednost Fermijeve energije (granica) povezana je s koncentracijom elektrona vodljivosti u metalu na sljedeći način:
m je masa mirovanja elektrona, h je Planckova konstanta, n je koncentracija elektrona vodljivosti
Uzimajući u obzir ovaj omjer, dovodimo u bliski kontakt dva metala s različitim Fermijevim energijama i stoga s različitim koncentracijama vodljivih elektrona.
Pretpostavimo za naš primjer da drugi metal ima visoku koncentraciju vodljivih elektrona i prema tome je Fermijeva razina drugog metala viša od razine prvog.
Tada će, kada metali dođu u kontakt jedan s drugim, započeti difuzija (prodor s jednog metala na drugi) elektrona od metala 2 do metala 1, jer metal 2 ima ispunjene energetske razine koje su iznad Fermijeve razine prvog metala. , što znači da će elektroni s ovih razina popuniti prazna mjesta metala 1.
Obrnuto kretanje elektrona u takvoj situaciji je energetski nemoguće, budući da su u drugom metalu sve niže energetske razine već potpuno ispunjene.Na kraju će metal 2 postati pozitivno nabijen, a metal 1 negativno nabijen, dok će Fermijeva razina prvog metala postati viša nego što je bila, a drugog metala će se smanjiti. Ova će promjena biti sljedeća:
Kao rezultat toga, nastat će razlika potencijala između metala u kontaktu i odgovarajućeg električnog polja, što će spriječiti daljnju difuziju elektrona.
Njegov će se proces potpuno zaustaviti kada razlika potencijala dosegne određenu vrijednost koja odgovara jednakosti Fermijevih razina dvaju metala, pri kojoj u metalu 1 neće biti slobodnih razina za novopridošle elektrone iz metala 2, au metalu 2 niti jedna razina se neće osloboditi zbog mogućnosti migracije elektrona iz metala 1. Energetska ravnoteža će doći:
Budući da je naboj elektrona negativan, imat ćemo sljedeći položaj u odnosu na potencijale:
Iako smo prvotno pretpostavili da je temperatura metala apsolutna nula, ipak će se na sličan način ravnoteža pojaviti na bilo kojoj temperaturi.
Fermijeva energija u prisutnosti električnog polja neće biti ništa više od kemijskog potencijala jednog elektrona u elektronskom plinu koji se odnosi na naboj tog jednog elektrona, a budući da pod uvjetima ravnoteže kemijski potencijali elektronskih plinova obaju metala će biti jednak, samo je potrebno dodati razmatranju ovisnost kemijskog potencijala o temperaturi.
Dakle, potencijalna razlika koju razmatramo naziva se unutarnja kontaktna razlika potencijala i odgovara Voltinom zakonu za serijske kontakte.
Procijenimo ovu potencijalnu razliku, za to izražavamo Fermijevu energiju u smislu koncentracije elektrona vodljivosti, a zatim zamijenimo numeričke vrijednosti konstanti:
Prema tome, na temelju modela slobodnih elektrona, unutarnja kontaktna razlika potencijala za metale je reda veličine od stotinki volta do nekoliko volti.