Temas potansiyelindeki fark
İki farklı metalden yapılmış iki numune birbirine sıkıca bastırılırsa, aralarında bir temas potansiyeli farkı oluşur. İtalyan fizikçi, kimyager ve fizyolog Alessandro Volta, bu fenomeni 1797'de metallerin elektriksel özelliklerini incelerken keşfetti.
Sonra Volta, metalleri bir zincirde şu sırayla bağlarsanız buldu: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, ardından ortaya çıkan zincirdeki her bir sonraki metal kazanacaktır. - öncekinden daha düşük bir potansiyel. Dahası, bilim adamı, bu metallerin bu devredeki düzenlenme sırasına bakılmaksızın, bu şekilde birleştirilen birkaç metalin, oluşturulan devrenin uçları arasında aynı potansiyel farkını vereceğini buldu - bu konum artık Volta'nın seri kontaklar yasası olarak biliniyor. .
Burada, temas dizisi yasasının tam olarak uygulanması için tüm metal devrenin aynı sıcaklıkta olması gerektiğini anlamak son derece önemlidir.
Bu devre şimdi uçlardan kendi üzerine kapatılırsa, yasadan devredeki EMF'nin sıfır olacağı sonucu çıkar.Ancak bunların (metal 1, metal 2, metal 3) tümü aynı sıcaklıkta olursa, aksi takdirde doğanın temel yasası olan enerjinin korunumu yasası ihlal edilmiş olur.
Farklı metal çiftleri için, bir voltun onda biri ve yüzde biri ile birkaç volt arasında değişen temas potansiyeli farkı kendi olacaktır.
Temas potansiyeli farkının ortaya çıkma nedenini anlamak için serbest elektron modelini kullanmak uygundur.
Çiftin her iki metali de mutlak sıfır sıcaklığında olsun, o zaman Fermi limiti dahil tüm enerji seviyeleri elektronlarla dolu olacaktır. Fermi enerjisinin (limit) değeri, metaldeki iletim elektronlarının konsantrasyonuyla şu şekilde ilişkilidir:
m elektronun durgun kütlesi, h Planck sabiti, n iletim elektronlarının konsantrasyonu
Bu oranı hesaba katarak, farklı Fermi enerjilerine ve dolayısıyla farklı iletken elektron konsantrasyonlarına sahip iki metali yakın temasa geçiririz.
Örneğimiz için, ikinci metalin yüksek konsantrasyonda iletken elektronlara sahip olduğunu ve buna bağlı olarak ikinci metalin Fermi seviyesinin birinciden daha yüksek olduğunu varsayalım.
Daha sonra, metaller birbiriyle temas ettiğinde, metal 2'den metal 1'e elektronların difüzyonu (bir metalden diğerine nüfuz etme) başlayacaktır, çünkü metal 2, birinci metalin Fermi seviyesinin üzerinde olan dolu enerji seviyelerine sahiptir. , bu, bu seviyelerdeki elektronların metal 1 boşluklarını dolduracağı anlamına gelir.
Böyle bir durumda elektronların ters hareketi enerjik olarak imkansızdır, çünkü ikinci metalde tüm düşük enerji seviyeleri zaten tamamen doludur.Sonunda, metal 2 pozitif yüklü ve metal 1 negatif yüklü hale gelirken, birinci metalin Fermi seviyesi eskisinden daha yüksek olacak ve ikinci metalinki azalacaktır. Bu değişiklik şu şekilde olacaktır:
Sonuç olarak, temas eden metaller ile karşılık gelen elektrik alanı arasında, elektronların daha fazla yayılmasını önleyecek bir potansiyel farkı ortaya çıkacaktır.
Potansiyel fark, metal 2'den yeni gelen elektronlar için metal 1'de ve metal 2'de serbest seviyenin olmayacağı iki metalin Fermi seviyelerinin eşitliğine karşılık gelen belirli bir değere ulaştığında işlemi tamamen duracaktır. metal 1'den elektron göçü olasılığı üzerinde hiçbir seviye serbest kalmayacak. Enerji dengesi gelecek:
Elektronun yükü negatif olduğundan, potansiyellere göre aşağıdaki konuma sahip olacağız:
Başlangıçta metallerin sıcaklığını mutlak sıfır olarak kabul etmemize rağmen, yine de benzer bir şekilde herhangi bir sıcaklıkta denge meydana gelecektir.
Bir elektrik alanın varlığındaki Fermi enerjisi, bir elektron gazındaki tek bir elektronun kimyasal potansiyelinden başka bir şey olmayacaktır ve bu tek elektronun yüküne atıfta bulunulur ve denge koşulları altında her iki metalin elektron gazlarının kimyasal potansiyelleri de aynı olacaktır. eşit olacaksa, yalnızca kimyasal potansiyelin sıcaklığa bağımlılığını hesaba katmak gerekir.
Bu nedenle, bizim tarafımızdan dikkate alınan potansiyel fark, dahili kontak potansiyel farkı olarak adlandırılır ve Volta'nın seri kontaklar yasasına karşılık gelir.
Bu potansiyel farkı tahmin edelim, bunun için Fermi enerjisini iletim elektronlarının konsantrasyonu cinsinden ifade ediyoruz, ardından sabitlerin sayısal değerlerini değiştiriyoruz:
Bu nedenle, serbest elektron modeline dayalı olarak, metaller için iç temas potansiyel farkı, bir voltun yüzde biri ile birkaç volt arasında büyüklük sırasına göredir.