Diferència de potencial de contacte

Si dues mostres fetes de dos metalls diferents es pressionen fortament juntes, es produirà una diferència de potencial de contacte entre elles. El físic, químic i fisiòleg italià Alessandro Volta va descobrir aquest fenomen l'any 1797 mentre estudiava les propietats elèctriques dels metalls.

Aleshores, Volta va trobar que si connecteu els metalls en una cadena en aquest ordre: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, llavors cada metall posterior de la cadena resultant adquirirà un potencial de - inferior a l'anterior. A més, el científic va trobar que diversos metalls combinats d'aquesta manera donaran la mateixa diferència de potencial entre els extrems del circuit format, independentment de la seqüència de disposició d'aquests metalls en aquest circuit; aquesta posició ara es coneix com la llei de Volta dels contactes en sèrie. .

Aquí és extremadament important entendre que per a la implementació exacta de la llei de la seqüència de contacte, és necessari que tot el circuit metàl·lic estigui a la mateixa temperatura.

Si ara aquest circuit està tancat des dels extrems sobre si mateix, llavors es dedueix de la llei que la FEM del circuit serà zero.Però només si tots aquests (metall 1, metall 2, metall 3) estan a la mateixa temperatura, en cas contrari es violaria la llei bàsica de la naturalesa —la llei de conservació de l'energia.

Per a diferents parells de metalls, la diferència de potencial de contacte serà pròpia, des de dècimes i centèsimes de volt fins a uns quants volts.

Per entendre el motiu de l'aparició de la diferència de potencial de contacte, és convenient utilitzar el model d'electrons lliures.

Si els dos metalls del parell estiguin a la temperatura zero absoluta, llavors tots els nivells d'energia, inclòs el límit de Fermi, s'ompliran d'electrons. El valor de l'energia de Fermi (límit) està relacionat amb la concentració d'electrons de conducció en el metall de la següent manera:

m és la massa en repòs de l'electró, h és la constant de Planck, n és la concentració d'electrons de conducció

Tenint en compte aquesta relació, posem en estret contacte dos metalls amb diferents energies de Fermi i per tant amb diferents concentracions d'electrons de conducció.

Suposem per al nostre exemple que el segon metall té una alta concentració d'electrons de conducció i, per tant, el nivell de Fermi del segon metall és més alt que el del primer.

Aleshores, quan els metalls entren en contacte entre ells, començarà una difusió (penetració d'un metall a un altre) d'electrons del metall 2 al metall 1, perquè el metall 2 ha omplert nivells d'energia que estan per sobre del nivell de Fermi del primer metall. , el que significa que els electrons d'aquests nivells ocuparan les vacants de metall 1.

El moviment invers dels electrons en aquesta situació és energèticament impossible, ja que en el segon metall tots els nivells d'energia inferiors ja estan completament plens.Finalment, el metall 2 es carregarà positivament i el metall 1 es carregarà negativament, mentre que el nivell de Fermi del primer metall serà més alt del que era, i el del segon metall disminuirà. Aquest canvi serà el següent:

Com a resultat, sorgirà una diferència de potencial entre els metalls en contacte i el camp elèctric corresponent, que ara evitarà una major difusió dels electrons.

El seu procés s'aturarà completament quan la diferència de potencial assoleixi un cert valor corresponent a la igualtat dels nivells de Fermi dels dos metalls, en el qual no hi haurà nivells lliures en el metall 1 per als electrons recentment arribats del metall 2, i en el metall 2. no s'alliberarà cap nivell sobre la possibilitat de migració d'electrons del metall 1. El balanç energètic vindrà:

Com que la càrrega de l'electró és negativa, tindrem la següent posició respecte als potencials:

Encara que originàriament hem assumit que la temperatura dels metalls és zero absolut, no obstant això, d'una manera similar, l'equilibri es produirà a qualsevol temperatura.

L'energia de Fermi en presència d'un camp elèctric no serà més que el potencial químic d'un sol electró en un gas d'electrons referit a la càrrega d'aquest únic electró, i ja que en condicions d'equilibri els potencials químics dels gasos d'electrons d'ambdós metalls serà igual, només cal afegir a la consideració la dependència del potencial químic de la temperatura.

Per tant, la diferència de potencial considerada per nosaltres s'anomena diferència de potencial de contacte intern i correspon a la llei de Volta per als contactes en sèrie.

Estimem aquesta diferència de potencial, per a això expressem l'energia de Fermi en termes de concentració d'electrons de conducció, després substituïm els valors numèrics de les constants:

Així, basant-se en el model d'electrons lliures, la diferència de potencial de contacte intern dels metalls és de l'ordre de magnitud des de centèsimes de volt fins a diversos volts.