Ero kosketuspotentiaalissa
Jos kaksi kahdesta eri metallista valmistettua näytettä puristetaan tiukasti yhteen, niiden välillä syntyy kosketuspotentiaaliero. Italialainen fyysikko, kemisti ja fysiologi Alessandro Volta löysi tämän ilmiön vuonna 1797 tutkiessaan metallien sähköisiä ominaisuuksia.
Sitten Volta havaitsi, että jos yhdistät metallit ketjuun tässä järjestyksessä: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, niin jokainen seuraava metalli tuloksena olevassa ketjussa hankkii potentiaali - pienempi kuin edellinen. Lisäksi tiedemies havaitsi, että useat metallit, jotka yhdistetään tällä tavalla, antavat saman potentiaalieron muodostetun piirin päiden välillä, riippumatta näiden metallien järjestyksestä tässä piirissä - tämä asema tunnetaan nyt Voltan sarjakoskettimien lakina. .
Tässä on erittäin tärkeää ymmärtää, että kosketussekvenssin lain tarkkaan toteuttamiseen on välttämätöntä, että koko metallipiiri on samassa lämpötilassa.
Jos tämä piiri on nyt suljettu päistä itsestään, niin laista seuraa, että piirin EMF on nolla.Mutta vain jos kaikki nämä (metalli 1, metalli 2, metalli 3) ovat samassa lämpötilassa, muuten luonnon peruslakia – energian säilymisen lakia – rikotaan.
Eri metalliparien kosketuspotentiaaliero on oma, joka vaihtelee voltin kymmenesosista ja sadasosista muutamaan volttiin.
Kosketuspotentiaalieron syyn ymmärtämiseksi on kätevää käyttää vapaiden elektronien mallia.
Olkoon parin molemmat metallit absoluuttisessa nollalämpötilassa, silloin kaikki energiatasot, mukaan lukien Fermi-raja, täyttyvät elektroneilla. Fermi-energian arvo (raja) liittyy metallin johtavuuselektronien pitoisuuteen seuraavasti:
m on elektronin lepomassa, h on Planckin vakio, n on johtavuuselektronien pitoisuus
Kun tämä suhde otetaan huomioon, saatamme läheiseen kosketukseen kaksi metallia, joilla on erilaiset Fermi-energiat ja siten erilaiset johtavuuselektronipitoisuudet.
Oletetaan esimerkissämme, että toisessa metallissa on korkea johtavuuselektronipitoisuus ja vastaavasti toisen metallin Fermi-taso on korkeampi kuin ensimmäisen.
Sitten kun metallit joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa, alkaa elektronien diffuusio (tunkeutuminen metallista toiseen) metallista 2 metalliin 1, koska metalli 2 on täynnä energiatasoja, jotka ovat ensimmäisen metallin Fermi-tason yläpuolella. , mikä tarkoittaa, että näiden tasojen elektronit täyttävät metallin 1 vapaita paikkoja.
Elektronien käänteinen liike tällaisessa tilanteessa on energeettisesti mahdotonta, koska toisessa metallissa kaikki alemmat energiatasot ovat jo täysin täytetty.Lopulta metalli 2 varautuu positiivisesti ja metalli 1 negatiivisesti varautuneeksi, kun taas ensimmäisen metallin Fermi-taso nousee korkeammaksi kuin se oli, ja toisen metallin taso laskee. Tämä muutos tulee olemaan seuraava:
Tämän seurauksena kontaktissa olevien metallien ja vastaavan sähkökentän välille syntyy potentiaaliero, joka nyt estää elektronien diffuusion.
Sen prosessi pysähtyy kokonaan, kun potentiaaliero saavuttaa tietyn arvon, joka vastaa kahden metallin Fermi-tasojen yhtäläisyyttä, jolloin metallissa 1 ei ole vapaita tasoja metallista 2 vasta saapuville elektroneille ja metallissa 2 tasoja ei vapaudu elektronien siirtymisen mahdollisuudesta metallista 1. Energiatase tulee:
Koska elektronin varaus on negatiivinen, meillä on seuraava sijainti suhteessa potentiaaliin:
Vaikka olemme alun perin olettaneet metallien lämpötilan olevan absoluuttinen nolla, tasapaino tapahtuu samalla tavalla missä tahansa lämpötilassa.
Fermi-energia sähkökentän läsnäollessa ei ole mitään muuta kuin yhden elektronin kemiallinen potentiaali elektronikaasussa viitaten tämän yksittäisen elektronin varaukseen, ja koska tasapainoolosuhteissa molempien metallien elektronikaasujen kemialliset potentiaalit on yhtä suuri, on vain tarpeen lisätä huomioimaan kemiallisen potentiaalin riippuvuus lämpötilasta.
Joten meidän tarkastelemaa potentiaalieroa kutsutaan sisäiseksi kosketinpotentiaalieroksi ja se vastaa Voltan lakia sarjakoskettimille.
Arvioidaan tämä potentiaaliero, tätä varten ilmaisemme Fermi-energian johtavuuselektronien pitoisuuksina ja korvaamme sitten vakioiden numeeriset arvot:
Näin ollen vapaan elektronin mallin perusteella metallien sisäinen kosketuspotentiaaliero on suuruusluokkaa voltin sadasosista useisiin voltteihin.