Perbezaan dalam potensi sentuhan

Jika dua sampel yang diperbuat daripada dua logam berbeza ditekan rapat, maka beza potensi sentuhan akan berlaku di antara mereka. Ahli fizik, ahli kimia dan fisiologi Itali Alessandro Volta menemui fenomena ini pada tahun 1797 semasa mengkaji sifat elektrik logam.

Kemudian Volta mendapati bahawa jika anda menyambungkan logam dalam rantai dalam susunan ini: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, maka setiap logam berikutnya dalam rantai yang terhasil akan memperoleh potensi - lebih rendah daripada yang sebelumnya. Selain itu, saintis mendapati bahawa beberapa logam digabungkan dengan cara ini akan memberikan perbezaan potensi yang sama antara hujung litar yang terbentuk, tanpa mengira urutan susunan logam ini dalam litar ini - kedudukan ini kini dikenali sebagai hukum Volta hubungan siri. .

Di sini adalah sangat penting untuk memahami bahawa untuk pelaksanaan tepat undang-undang jujukan hubungan, adalah perlu bahawa keseluruhan litar logam berada pada suhu yang sama.

Jika litar ini kini ditutup dari hujung pada dirinya sendiri, maka ia mengikuti dari undang-undang bahawa EMF dalam litar akan menjadi sifar.Tetapi hanya jika semua ini (logam 1, logam 2, logam 3) berada pada suhu yang sama, jika tidak, undang-undang asas alam semula jadi-undang-undang pemuliharaan tenaga-akan dilanggar.

Untuk pasangan logam yang berbeza, beza potensi sentuhan adalah sendiri, antara persepuluh dan perseratus volt hingga beberapa volt.

Untuk memahami sebab penampilan beza potensi sentuhan, adalah mudah untuk menggunakan model elektron bebas.

Biarkan kedua-dua logam pasangan itu berada pada suhu sifar mutlak, maka semua aras tenaga, termasuk had Fermi, akan diisi dengan elektron. Nilai tenaga Fermi (had) berkaitan dengan kepekatan elektron pengaliran dalam logam seperti berikut:

m ialah jisim baki elektron, h ialah pemalar Planck, n ialah kepekatan elektron pengaliran

Dengan mengambil kira nisbah ini, kami membawa dua logam bersentuhan rapat dengan tenaga Fermi yang berbeza dan oleh itu dengan kepekatan elektron pengaliran yang berbeza.

Mari kita anggap sebagai contoh kita bahawa logam kedua mempunyai kepekatan elektron pengaliran yang tinggi dan oleh itu tahap Fermi logam kedua adalah lebih tinggi daripada yang pertama.

Kemudian, apabila logam bersentuhan antara satu sama lain, resapan (penembusan dari satu logam ke logam lain) elektron akan bermula dari logam 2 hingga logam 1, kerana logam 2 telah mengisi tahap tenaga yang melebihi paras Fermi logam pertama. , yang bermaksud bahawa elektron daripada tahap ini akan mengisi kekosongan logam 1.

Pergerakan terbalik elektron dalam keadaan sedemikian adalah mustahil, kerana dalam logam kedua semua tahap tenaga yang lebih rendah sudah terisi sepenuhnya.Akhirnya, logam 2 akan bercas positif dan logam 1 bercas negatif, manakala tahap Fermi logam pertama akan menjadi lebih tinggi daripada sebelumnya, dan logam kedua akan berkurangan. Perubahan ini adalah seperti berikut:

Akibatnya, perbezaan potensi akan timbul antara logam yang bersentuhan dan medan elektrik yang sepadan, yang kini akan menghalang penyebaran elektron selanjutnya.

Prosesnya akan berhenti sepenuhnya apabila beza keupayaan mencapai nilai tertentu sepadan dengan kesamaan tahap Fermi kedua-dua logam, di mana tidak akan ada tahap bebas dalam logam 1 untuk elektron yang baru tiba dari logam 2, dan dalam logam 2 tiada tahap akan dibebaskan pada kemungkinan penghijrahan elektron daripada logam 1. Imbangan tenaga akan datang:

Oleh kerana cas elektron adalah negatif, kita akan mempunyai kedudukan berikut berbanding dengan potensi:

Walaupun kita pada asalnya menganggap suhu logam adalah sifar mutlak, namun dengan cara yang sama keseimbangan akan berlaku pada sebarang suhu.

Tenaga Fermi dengan kehadiran medan elektrik tidak lebih daripada potensi kimia satu elektron dalam gas elektron yang dirujuk kepada cas elektron tunggal itu, dan oleh kerana di bawah keadaan keseimbangan, potensi kimia bagi gas elektron kedua-dua logam akan sama , ia hanya perlu menambah pertimbangan pergantungan potensi kimia pada suhu.

Jadi, beza keupayaan yang dipertimbangkan oleh kami dipanggil beza potensi sentuhan dalaman dan sepadan dengan undang-undang Volta untuk hubungan siri.

Mari kita anggarkan perbezaan potensi ini, untuk ini kita menyatakan tenaga Fermi dari segi kepekatan elektron pengaliran, kemudian menggantikan nilai berangka pemalar:

Oleh itu, berdasarkan model elektron bebas, beza keupayaan sentuhan dalaman bagi logam adalah mengikut susunan magnitud dari perseratus volt kepada beberapa volt.