Контактная разность потенциалов между двумя металлами

Обновлено: 16.05.2024

В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотичного теплового движения. Однако при нормальных температурах они не покидают металл. У поверхности металла существует задерживающее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла электрон должен совершить работу по преодолению задерживающих сил. Эта работа называется работой выхода.

Работа выхода - работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла.

Формула для работы выхода:

где e - заряд электрона, U - разность потенциалов между точками в металле и за пределами задерживающего слоя.

Работа выхода измеряется в электронвольтах.

Электронвольт - внесистемная единица измерения, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт.

Как у поверхности металла образуется задерживающее поле?

Вследствие теплового движения электроны с поверхности металла могут отрываться и образуют над поверхностью электронное облако.
На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона, они стремяться вернуть покинувшие металл электроны обратно.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой.

В вакууме за пределами задерживающего слоя поле отсутствует, поэтому формула для работы выхода запишется в виде:

где φ - потенциал выхода, равный потенциалу поля внутри металла.

Контактная разность потенциалов

Явление контактной разности потенциалов в 1797 году открыл Алессандро Вольта (1745 -1827).

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, которая возникает при контакте поверхностей двух разных металлов.

Разность потенциалов, возникающая при контакте двух разных металлов, зависит от их химического состава и температуры.
Если цепь составлена из нескольких разных проводников при одинаковой температуре, контактная разность потенциалов определяется только контактной разностью между крайними проводниками.

Причины возникновения контактной разности потенциалов:

Разная работа выхода для разных металлов.
Разная концентрация свободных электронов в разных металлах.

Схематически рассмотрим контакт двух металлов. Пусть у металла 1 работа выхода больше, чем у металла 2, и в металле 1 концентрация свободных электронов больше.

Между точками a и b , лежащими рядом с поверхностью, но не принадлежащими проводнику, возникает внешняя контактная разность потенциалов.

Электроны диффундируют из одного металла в другой, при этом из металла 1 в металл 2 уходит больше электронов, так как n 1 > n 2 . В результате металл 1 приобретает положительный, а металл 2 - отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов.

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит

Между двумя разными металлами при тесном соприкосновении возникает явление, получившее название контактная разность потенциалов. Данное явление связано с особенностями строения вещества. Далее рассмотрим и узнаем о механизме его работы.

История изучения

Контактную разность потенциалов обнаружил и исследовал итальянский физик Алессандро Вольта в 1797 году. Он проводил опыты, соединяя диски из различных металлов стопкой в строго определённом порядке и измеряя возникающее между ними напряжение. Например, в одном из опытов он соединил плоскими сторонами диски из следующих материалов в указанном порядке: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd. В этом ряду у каждого последующего металла потенциал был ниже, чем у предыдущего. Ученый обобщил результаты своих опытов и сформулировал законы, названные его именем.

Электроны в твёрдом теле

Любое твёрдое тело состоит из атомов. В каждом из них вокруг ядра вращаются электроны. Иногда они покидают атом и двигаются случайным образом вне его. После того как атом теряет электрон, он становится ионом, приобретая положительный заряд. В результате ион начинает притягивать электроны, которые возвращаются на свои орбиты.

Эти процессы происходят не только внутри твёрдого тела, но и в некоторых случаях за его пределами. Следовательно, можно представить, что очень близко от его границ существует электронное облако. Одни частицы пополняют его, другие — возвращаются внутрь тела.

Если твёрдые тела соприкоснутся, то электронные облака у их поверхностей перемешаются. В этом случае часть электронов будет покидать то или другое тело, а некоторые из них переместятся внутрь одного из них. Однако этот процесс не будет проходить одинаково в обоих случаях.

Контакт поверхностей

Чтобы электрон вышел за пределы твёрдого тела, он должен выполнить определённую работу. Важно отметить, что в различных случаях её величина может отличаться. В том теле, для выхода из которого электрону придется проделать большую работу, количество заряженных частиц будет выше. Эта неравномерность приведёт к тому, что на границе соприкосновения образуется контактная разность электрических потенциалов. Одно из тел станет заряженным положительно, а другое — отрицательно.

Ещё один фактор, который влияет на неравномерность распределения, это плотность облака электронов. Частицы из более плотного постепенно диффузируют в относительно разряженное состояние.

Если неравномерность распределения частиц усиливается, возникающее электрическое поле увеличивается. Оно стабилизируется лишь в том случае, когда начнет препятствовать увеличению заряда. Следовательно, можно сказать, что контактная разность электрических потенциалов — это результат работы, проделанной электронами.

Величина потенциалов не зависит от площади соприкосновения или геометрической формы тел. Существенную роль играет химический состав металла и его температура. При её росте увеличивается концентрация собственных носителей заряда, что приводит к уменьшению контактной разности потенциалов.

Чтобы покинуть атом, электрон должен выполнить определённую работу. Допустим, эта величина равна A для одного материала и B для другого. Для определённости предположим, что A > B. В таком случае поверхность первого проводника постепенно заряжается положительно, а второго — отрицательно.

При этом разность потенциалов U между ними будет расти. Однако по мере ее увеличения будет наблюдаться и больше переходов электронов между материалами. Когда разность потенциалов достигнет предельной величины, переход электронов в обе стороны станет равновероятным. Величину контактной разности потенциалов можно найти по формуле:

Величину U в рассматриваемом случае называют внешней контактной разностью потенциалов. На практике она в большинстве случаев колеблется от десятых долей до нескольких вольт. Речь идёт о разности потенциалов между точками, которые находятся очень близко к поверхности, но при этом вне её. Если рассматривать аналогичную величину между точками рядом с границей поверхности, но за ней для каждого материала, то речь будет идти о внутренней контактной разности потенциалов.

С одной контактирующей поверхности на другую может перейти не более двух процентов свободных электронов. Из-за этого контактное электрополе локализуется исключительно в зоне соприкосновения и практически не захватывает внутренние области контактирующих тел.

Контакт двух металлов по зонной теории

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.Итальянский физик А. Вольта (1745 – 1827) установил, что если металлы А1, Zn, Sn, Pb, Sb, Bl, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pb привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта.Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольтаэкспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов воспользуемся представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А₁ и А₂ , т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если А₁ < А₂ (этот случай изображен на рис. 26, а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 – отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, – вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется; совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. 26, 6).

Так как для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А₁и А₂не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их поверхности (точки А и В на рис. 26, б), будет различной. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Δφ' = (А₂ – А₁) / е. (246.1)

Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов.Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов,которая, как следует из рисунка, равна

Δφ'' =

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов и контактирующих металлах. Δφ'' зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость E_F от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, Δφ'' φ'.

Если, например, привести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она, как можно показать (предоставляем это сделать читателю), не зависит от природы промежуточных проводников (второй, закон вольта).

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся вприконтактной области, называемом контактным слоем.Толщина контактного слоя в металлах составляет примерно 10 –10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих и диффузии через контактный слой, составляет примерно 2 % от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина – с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частыо металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1 → 2 и 2 → 1)одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

Читайте также: