Az érintkezési potenciál különbsége

Ha két különböző fémből készült mintát szorosan egymáshoz nyomunk, érintkezési potenciálkülönbség lép fel közöttük. Alessandro Volta olasz fizikus, kémikus és fiziológus fedezte fel ezt a jelenséget 1797-ben, miközben a fémek elektromos tulajdonságait tanulmányozta.

Aztán Volta úgy találta, hogy ha a fémeket ebben a sorrendben köti össze egy láncban: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, akkor a kapott láncban minden következő fém felveszi - kisebb potenciál, mint az előző. Sőt, a tudós megállapította, hogy több fém ily módon kombinálva ugyanazt a potenciálkülönbséget ad a kialakult áramkör végei között, függetlenül attól, hogy ezek a fémek milyen sorrendben helyezkednek el ebben az áramkörben - ezt a helyzetet ma a soros érintkezők Volta-törvényeként ismerik. .

Itt rendkívül fontos megérteni, hogy az érintkezési sorrend törvényének pontos végrehajtásához szükséges, hogy a teljes fémkör azonos hőmérsékletű legyen.

Ha ez az áramkör most a végétől magára zárva van, akkor a törvényből következik, hogy az áramkörben az EMF nulla lesz.De csak akkor, ha ezek mindegyike (fém 1, fém 2, fém 3) azonos hőmérsékletű, különben a természet alapvető törvénye – az energiamegmaradás törvénye – sérülne.

Különböző fémpárok esetén az érintkezési potenciál különbség sajátja, tized és század volttól néhány voltig terjed.

Az érintkezési potenciálkülönbség megjelenésének okának megértéséhez kényelmes a szabad elektron modell használata.

Legyen a pár mindkét féme abszolút nulla hőmérsékletű, akkor minden energiaszint, beleértve a Fermi-határt is, tele lesz elektronokkal. A Fermi-energia értéke (határérték) a fémben lévő vezetési elektronok koncentrációjával függ össze:

m az elektron nyugalmi tömege, h Planck-állandó, n a vezetési elektronok koncentrációja

Ezt az arányt figyelembe véve két különböző Fermi-energiájú, és ezért eltérő vezetési elektronkoncentrációjú fémet hozunk szoros kapcsolatba.

Tegyük fel példánkban, hogy a második fémben nagy a vezetési elektronok koncentrációja, és ennek megfelelően a második fém Fermi-szintje magasabb, mint az elsőé.

Ezután, amikor a fémek érintkeznek egymással, az elektronok diffúziója (áthatolás az egyik fémből a másikba) megindul a 2-es fémtől az 1-es fémig, mivel a 2-es fém feltöltött energiaszintje meghaladja az első fém Fermi-szintjét. , ami azt jelenti, hogy ezekről a szintekről származó elektronok betöltik a fém 1 üresedéseket.

Az elektronok fordított mozgása ilyen helyzetben energetikailag lehetetlen, mivel a második fémben az összes alacsonyabb energiaszint már teljesen feltöltődött.Végül a 2-es fém pozitív, az 1-es pedig negatív töltésű lesz, miközben az első fém Fermi-szintje magasabb lesz, mint volt, a második fémé pedig csökken. Ez a változás a következő lesz:

Ennek eredményeként potenciálkülönbség keletkezik az érintkező fémek és a megfelelő elektromos tér között, ami megakadályozza az elektronok további diffúzióját.

Folyama teljesen leáll, ha a potenciálkülönbség elér egy bizonyos értéket, amely megfelel a két fém Fermi-szintjének egyenlőségének, amelynél az 1-es fémben nem lesz szabad szint a 2-es fémből újonnan érkező elektronok számára, és a 2-es fémben. nem szabadul fel szintek az 1-es fémből való elektronvándorlás lehetőségén. Az energiamérleg:

Mivel az elektron töltése negatív, a potenciálokhoz viszonyítva a következő helyzetet kapjuk:

Bár eredetileg a fémek hőmérsékletét abszolút nullának tételeztük fel, az egyensúly hasonló módon bármely hőmérsékleten létrejön.

A Fermi-energia elektromos tér jelenlétében nem más, mint egyetlen elektron kémiai potenciálja egy elektrongázban, az egyetlen elektron töltésére vonatkoztatva, és mivel egyensúlyi körülmények között mindkét fém elektrongázának kémiai potenciálja egyenlő lesz, csak hozzá kell adni a kémiai potenciál hőmérséklettől való függését.

Tehát az általunk vizsgált potenciálkülönbséget belső érintkezési potenciálkülönbségnek nevezzük, és ez megfelel a soros érintkezők Volta-törvényének.

Becsüljük meg ezt a potenciálkülönbséget, ehhez fejezzük ki a Fermi-energiát a vezetési elektronok koncentrációjában, majd helyettesítsük az állandók számértékeit:

Így a szabad elektron modell alapján a fémek belső érintkezési potenciálkülönbsége a század volttól a több voltig terjedő nagyságrendű.