Sự khác biệt trong tiềm năng liên lạc

Nếu hai mẫu làm bằng hai kim loại khác nhau được ép chặt vào nhau, thì giữa chúng sẽ xảy ra sự khác biệt về điện thế tiếp xúc. Nhà vật lý, hóa học và sinh lý học người Ý Alessandro Volta đã phát hiện ra hiện tượng này vào năm 1797 khi đang nghiên cứu tính chất điện của kim loại.

Sau đó, Volta phát hiện ra rằng nếu bạn kết nối các kim loại trong chuỗi theo thứ tự sau: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, thì mỗi kim loại tiếp theo trong chuỗi kết quả sẽ thu được một tiềm năng của - thấp hơn so với trước đó. Hơn nữa, nhà khoa học phát hiện ra rằng một số kim loại được kết hợp theo cách này sẽ tạo ra sự khác biệt tiềm năng như nhau giữa các đầu của mạch được hình thành, bất kể trình tự sắp xếp của các kim loại này trong mạch này - vị trí này hiện được gọi là định luật tiếp xúc nối tiếp của Volta .

Ở đây, điều cực kỳ quan trọng là phải hiểu rằng để thực hiện chính xác định luật về trình tự tiếp xúc, điều cần thiết là toàn bộ mạch kim loại phải ở cùng một nhiệt độ.

Nếu mạch này bây giờ được đóng từ các đầu của chính nó, thì theo định luật, EMF trong mạch sẽ bằng không.Nhưng chỉ khi tất cả những thứ này (kim loại 1, kim loại 2, kim loại 3) ở cùng nhiệt độ, nếu không thì định luật cơ bản của tự nhiên - định luật bảo toàn năng lượng - sẽ bị vi phạm.

Đối với các cặp kim loại khác nhau, hiệu điện thế tiếp xúc sẽ là của riêng nó, nằm trong khoảng từ phần mười và phần trăm của vôn đến vài vôn.

Để hiểu lý do xuất hiện sự khác biệt về điện thế tiếp xúc, thật thuận tiện khi sử dụng mô hình điện tử tự do.

Đặt cả hai kim loại của cặp ở nhiệt độ không độ tuyệt đối, khi đó tất cả các mức năng lượng, bao gồm cả giới hạn Fermi, sẽ chứa đầy các electron. Giá trị năng lượng Fermi (giới hạn) liên quan đến nồng độ electron dẫn trong kim loại như sau:

m là khối lượng nghỉ của electron, h là hằng số Planck, n là nồng độ của các electron dẫn

Khi tính đến tỷ lệ này, chúng tôi đưa hai kim loại có năng lượng Fermi khác nhau và do đó có nồng độ electron dẫn khác nhau tiếp xúc gần nhau.

Ví dụ, chúng ta hãy giả sử rằng kim loại thứ hai có nồng độ electron dẫn cao và do đó mức Fermi của kim loại thứ hai cao hơn mức Fermi của kim loại thứ nhất.

Sau đó, khi các kim loại tiếp xúc với nhau, sự khuếch tán (sự thâm nhập từ kim loại này sang kim loại khác) của các electron sẽ bắt đầu từ kim loại 2 sang kim loại 1, vì kim loại 2 đã lấp đầy các mức năng lượng cao hơn mức Fermi của kim loại thứ nhất , nghĩa là các electron từ các mức này sẽ điền vào chỗ trống 1 của kim loại.

Chuyển động ngược của các electron trong tình huống như vậy là không thể về mặt năng lượng, vì trong kim loại thứ hai, tất cả các mức năng lượng thấp hơn đã được lấp đầy hoàn toàn.Cuối cùng, kim loại 2 sẽ tích điện dương và kim loại 1 tích điện âm, trong khi mức Fermi của kim loại thứ nhất sẽ trở nên cao hơn so với trước đây và mức Fermi của kim loại thứ hai sẽ giảm. Sự thay đổi này sẽ như sau:

Kết quả là, một sự khác biệt tiềm năng sẽ phát sinh giữa các kim loại tiếp xúc và điện trường tương ứng, lúc này sẽ ngăn chặn sự khuếch tán hơn nữa của các điện tử.

Quá trình của nó sẽ dừng hoàn toàn khi hiệu điện thế đạt đến một giá trị nhất định tương ứng với sự bằng nhau về mức Fermi của hai kim loại, tại đó sẽ không có mức tự do trong kim loại 1 đối với các electron mới đến từ kim loại 2 và trong kim loại 2 không có mức nào sẽ được giải phóng về khả năng di chuyển của electron từ kim loại 1. Cân bằng năng lượng sẽ đến:

Vì điện tích của electron là âm, nên chúng ta sẽ có vị trí sau so với các điện thế:

Mặc dù ban đầu chúng ta giả định rằng nhiệt độ của các kim loại là bằng không tuyệt đối, nhưng theo cách tương tự, trạng thái cân bằng sẽ xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào.

Năng lượng Fermi với sự có mặt của điện trường sẽ không gì khác hơn là tiềm năng hóa học của một electron trong khí electron được quy cho điện tích của electron riêng lẻ đó và vì trong điều kiện cân bằng, tiềm năng hóa học của khí electron của cả hai kim loại sẽ bằng nhau, chỉ cần thêm vào việc xem xét sự phụ thuộc của thế năng hóa học vào nhiệt độ.

Vì vậy, hiệu điện thế mà chúng ta xem xét được gọi là hiệu điện thế tiếp xúc bên trong và tương ứng với định luật Volta đối với các tiếp điểm nối tiếp.

Hãy ước tính sự khác biệt tiềm năng này, vì điều này, chúng tôi biểu thị năng lượng Fermi theo nồng độ của các electron dẫn, sau đó thay thế các giá trị bằng số của hằng số:

Như vậy, dựa trên mô hình electron tự do, hiệu điện thế tiếp xúc bên trong của các kim loại có độ lớn từ phần trăm vôn đến vài vôn.