Контактная разность потенциалов между двумя металлами

контактная разность потенциалов

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ — разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях тер-модинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей — отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень эл—хим. потенциала (ферми-уровенъ)станет одинаковым. Установившаяся К. р. п. равна разности работ выхода проводников, отнесённой к заряду электрона.

Если составить электрич. цепь из неск. разл. проводников, то К. р. п. между крайними проводниками определяется только их работами выхода и не зависит от промежуточных членов цепи (правило Вольта) К. р. п. может достигать неск. В. Она зависит от строения проводника (его объёмных электронных свойств) и от состояния его поверхности. Поэтому К. р. п можно изменять обработкой поверхностей (покрытия ми, адсорбцией и т. п.), введением примесей (для полупроводников) и сплавлением с др. веществами (в случае металлов).

Электрич. поле К. р. п., создаваемое приконтактным объёмным зарядом, сосредоточено вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Протяжённость приконтактной области тем меньше, чем больше концентрации электронов проводимости в проводниках: в металлах см, в полупроводниках до см. При контакте полупроводника с металлом практически вся область приконтактного поля локализована в полупроводнике.

Электрич. поле К. р. п. изменяет концентрации свободных носителей заряда (электронов, дырок) в при-контактном слое. Когда концентрация осн. носителей заряда в полупроводниках понижается, приконтактный слой представляет собой область повыш. сопротивления (запирающий слой). Т. к. концентрация носителей и, следовательно, сопротивление контакта изменяются несимметрично в зависимости от знака приложенного напряжения, то контакт двух полупроводников обладает вентильным (выпрямляющим) свойством. С К. р. п. связаны также вентильная фотоэдс, термоэлектричество и ряд др. электронных явлений. На существовании

К. р. п. основана работа важнейших элементов полупроводниковой электроники: р — n-переходов и контактов металл-полупроводник. Учёт К. р. п. важен при конструировании электровакуумных приборов. В электронных лампах К. р. п. влияет на вид вольт-амперных характеристик. При прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую в термоэмиссионном преобразователе создаётся напряжение как раз порядка К. р. п. (см. также Полупроводники).

Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982, p 23; П и к у с Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965.

Контактные явления, контактная разность потенциалов

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.

Причины возникновения контактной разности потенциалов:

1. Разная работа выхода для разных металлов.
2. 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.

Контактная разность потенциалов

Если два образца, изготовленные из двух разных металлов, плотно прижать друг к другу, то между ними возникнет контактная разность потенциалов. Итальянский физик, химик и физиолог Алессандро Вольта обнаружил данный феномен в 1797 году, занимаясь изучением электрических свойств металлов.

Вольта установил тогда, что если соединить металлы в цепь в таком порядке: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, то каждый следующий металл в полученной цепочке обретет потенциал ниже предыдущего. Кроме того ученый выяснил, что несколько металлов, объединенные таким способом, дадут одну и ту же разность потенциалов между концами образованной цепи, независимо от последовательности расположения данных металлов в этой цепи — это положение известно теперь как закон последовательных контактов Вольта.

Здесь крайне важно понимать, что для точного выполнения закона последовательности контактов необходимо, чтобы вся цепочка металлов находилась при одной и той же температуре.

Если теперь данную цепь замкнуть концами саму на себя, то из закона будет следовать, что ЭДС в цепи окажется равна нулю. Но только при условии, что вся она (металл 1, металл2, металл3) находится при одной и той же температуре, иначе бы нарушился главный закон природы — закон сохранения энергии.

Для различных пар металлов контактная разность потенциалов будет своей определенной, из диапазона от десятых и сотых долей вольта до единиц вольт.

Чтобы понять причину появления контактной разности потенциалов, удобно воспользоваться моделью свободных электронов.

Пусть оба металла пары находятся при абсолютно нулевой температуре, тогда все уровни энергии, включая границу Ферми, окажутся заполнены электронами. Значение энергии (границы) Ферми связано с концентрацией электронов проводимости в металле следующим соотношением:

m — масса покоя электрона, h — постоянная Планка, n – концентрация электронов проводимости

Принимая во внимание данное соотношение, приведем в плотный контакт два металла с разными энергиями Ферми, и следовательно с разными концентрациями электронов проводимости.

Допустим для нашего примера, что второй металл имеет большую концентрацию электронов проводимости, и соответственно уровень Ферми у второго металла выше чем у первого.

Тогда при соприкосновении металлов друг с другом начнется диффузия (проникновение из одного металла — в другой) электронов из металла 2 — в металл 1, ведь в металле 2 есть заполненные энергетические уровни, которые находятся выше уровня Ферми первого металла, значит электроны с этих уровней станут заполнять в металле 1 свободные верхние уровни.

Обратное движение электронов в такой ситуации энергетически невозможно, ведь во втором металле все нижележащие уровни энергии уже полностью заполнены. В конце концов металл 2 зарядится положительно, а металл 1 — отрицательно, при этом уровень Ферми первого металла станет выше чем был, а у второго металла — снизится. Изменение это будет таковым:

В результате между контактирующими металлами возникнет разность потенциалов, и соответствующее ей электрическое поле, которое теперь станет препятствовать дальнейшей диффузии электронов.

Ее процесс полностью остановится, когда разность потенциалов достигнет определенной величины, соответствующей равенству уровней Ферми двух металлов, при котором в металле 1 не останется свободных уровней для вновь поступающих электронов из металла 2, а в металле 2 так и не освободятся уровни для возможности миграции электронов из металла 1. Наступит энергетическое равновесие:

Поскольку заряд электрона отрицателен, то будем иметь следующее положение относительно потенциалов:

Хотя изначально мы и приняли температуру металлов равной абсолютному нулю, тем не менее аналогичным образом равновесие будет наступать при любой температуре.

Энергия Ферми при наличии электрического поля будет ни чем иным как химическим потенциалом единственного электрона в электронном газе, отнесенным к заряду этого самого единичного электрона, а так как в условиях равновесия химические потенциалы электронных газов обеих металлов будут равны, то стоит лишь добавить в рассмотрение зависимость химического потенциала от температуры.

Итак, рассмотренная нами разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов и удовлетворяет закону последовательных контактов Вольта.

Давайте оценим данную разность потенциалов, для этого выразим энергии Ферми через концентрации электронов проводимости, после чего подставим численные значения констант:

Таким образом, на базе модели свободных электронов, внутренняя контактная разность потенциалов для металлов имеет порядок величин от сотых долей вольта до единиц вольт.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Внутренняя контактная разность потенциалов

Возникновение внутренней контактной разности потенциалов (КРП) можно объяснить следующим образом. Если взять два различных металла 1 и 2 (рис. 2) при одной температуре и привести их в соприкосновение, то электроны проводимости вследствие теплового движения будут переходить из проводника 1 в проводник 2 и обратно.

Пусть концентрация электронов n₁ в металле 1 больше концентрации n₂ в металле 2. Тогда поток диффузии электронов из металла 1 будет больше потока диффузии в обратном направлении, и металл 1 будет заряжаться положительно, а металл 2 – отрицательно. В результате этого между металлами возникнет разность потенциалов и появится электрическое поле, которое вызовет дополнительное движение электронов в обратном направлении – от металла 2 к металлу 1; поэтому общее количество электронов, переходящих от 1 к 2, будет уменьшаться, а идущих в противоположном направлении – увеличиваться.

При некоторой разности потенциалов между металлами установится равновесие. Это и есть внутренняя контактная разность потенциалов обоих металлов. Энергетическая диаграмма, характеризующая вышесказанное, приведена на рис. 2.

На диаграмме ось ординат характеризует потенциальную энергию электрона внутри металла

W = eU,

где U – значение потенциала, а по оси абсцисс – перемещение вдоль металла. Так как в отсутствие тока потенциал внутри металла одинаков, то и энергия W постоянна в различных точках одного и того же металла. Однако ее значение в обоих металлах различно и меньше в металле 1, заряженном положительно (т.к. заряд электрона e < 0). Разность энергий электрона в обоих проводниках равна eU_i.

Оценить величину U_i можно, используя классическую электронную теорию металлов. В этом случае задача о равновесии электронов в двух соприкасающихся проводниках не отличается от задачи о распределении частиц в силовом поле (распределение Больцмана):

; (2)

где n₁ и n₂ – концентрация электронов в обоих металлах; k – постоянная Больцмана; Т – температура металла; е – заряд электрона.

. (3)

При комнатной температуре (Т = 300 К)

составляет значение порядка единицы. Поэтому U_i имеет порядок, равный (10  2  10  3 ) В.

Внешняя контактная разность потенциалов

На диаграммах рис. 3 показано возникновение внешней контактной разности потенциалов (КРП) при соприкосновении двух разнородных металлов. Два различных металла 1 и 2, разобщенные друг от друга, характеризуются своими потенциальными ямами, причем, с точки зрения классической теории металлов, глубина потенциальной ямы равна термоэлектронной работе выхода электрона из металла e.

При соприкосновении кусков металла в контактном слое вследствие диффузии электронов установится скачок потенциала U_i, равный внутренней КРП, и между днищами обеих потенциальных ям будет энергетическое расстояние eU_i (рис. 3,б). Но так как глубины потенциальных ям различны, то их внешние края окажутся на разных высотах. Это значит, что между двумя любыми точками А и Б, находящимися вне металлов, но расположенными в непосредственной близости от их поверхностей, возникает разность потенциалов. Она получила название внешней КРП между двумя металлами (первый закон Вольта) и равна

. (4)

Здесь А₁ и А₂ – работы выхода электронов соответственно из металлов 1 и 2; Т – абсолютная температура спая.

Все термоэлектрические явления относятся к явлениям переноса и обусловлены электрическими или тепловыми потоками, возникающими в среде при наличии электрических и тепловых полей. Причиной всех термоэлектрических явлений является то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия.

Так как в электрических схемах и приборах всегда имеются спаи и контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникают термоэдс, которые необходимо учитывать при точных измерениях.