Diferența de potențial de contact

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 24 martie 2017; verificările necesită 24 de modificări .

Diferența de potențial de contact (în literatura engleză - Volta potential ) este diferența de potențial care apare atunci când doi conductori solidi diferiți intră în contact având aceeași temperatură . Există diferențe de potențial interne și externe în funcție de faptul că se consideră potențialele volumului echipotențial al conductoarelor de contact sau potențialele de lângă suprafața acestora [1] .

Diferența de potențial de contact nu poate fi măsurată direct cu un voltmetru , dar poate apărea pe caracteristicile curent-tensiune ale contactului. Un exemplu de dispozitiv în care o diferență de potențial de contact extern a două metale afectează caracteristica I-V este o diodă cu tub . Diferența de potențial de contact intern stă la baza funcționării unor astfel de dispozitive semiconductoare precum o diodă de joncțiune pn , o diodă metal-semiconductor , un tranzistor și o serie de altele.

Descriere

Când doi conductori cu funcții de lucru diferite intră în contact, în zona aproape de contact apar sarcini electrice. Și între capetele lor libere există o diferență de potențial . Valoarea diferenței de potențial de contact extern este egală cu diferența de funcții de lucru pe sarcină de electron. Dacă conductoarele sunt conectate într-un inel, atunci EMF din inel va fi egal cu 0. Pentru diferite perechi de metale, valoarea diferenței de potențial de contact variază de la zecimi de volți la câțiva volți [2] .

Explicație

Pentru a explica diferența de potențial de contact intern în metale, se recurge la modelul electronilor liberi și la teoria benzilor . Luați în considerare o diagramă de energie care ilustrează energia totală a unui electron. Energia totală a unui electron este egală cu suma energiei potențiale din câmpurile electrice și a energiei cinetice. Energia totală zero pe diagrama energetică corespunde unui electron staționar departe de metal (acesta este așa-numitul nivel de energie în vid). Pentru un electron din interiorul unui metal, energia totală va fi negativă; electronul se află într-un puț de potențial.

Luați în considerare mai întâi structura energetică a unui metal izolat. Să presupunem că temperatura metalului este 0 K. Structura energetică a metalului în cel mai simplu caz este determinată de două mărimi: funcția de lucru (adică distanța de la nivelul Fermi la nivelul vidului) și gradul de umplerea benzii superioare cu electroni ( energie Fermi ). Toate nivelurile de energie de la începutul benzii de energie până la nivelul Fermi vor fi umplute cu electroni. Energia cinetică maximă a unui electron, în conformitate cu teoria benzilor metalelor, este egală cu energia Fermi. Poziția nivelului Fermi pe scara energiilor totale datorată principiului Pauli va fi valoarea potențialului chimic al unui anumit sistem de electroni.

Aducerea în contact a metalelor dezechilibrează sistemul (întrucât potențialele chimice ale celor două metale nu coincid), difuzia electronilor are loc în direcția scăderii energiei lor, ducând la modificarea sarcinii și potențialului electric al metalelor. În regiunea aproape de contact începe creșterea câmpului electric. Apariția unui câmp electric schimbă toate nivelurile de energie ale electronilor acestor metale, iar nivelul Fermi se va deplasa după ele. Când pozițiile nivelului Fermi (potențialul chimic) ale ambelor metale pe scara de energie devin egale, sarcina din regiunea aproape de contact va înceta să se schimbe și va veni echilibrul de difuzie-derire. Trebuie subliniat că difuzia electronilor practic nu modifică nici concentrația de electroni, nici valoarea energiei Fermi a fiecărui metal. Diferența dintre pozițiile marginilor inferioare ale benzii de energie în primul și al doilea metal, referitor la sarcina electronului, va fi numită diferența de potențial de contact intern.

Experiența lui Volta

Volta a demonstrat existența unei diferențe de potențial prin următorul experiment. Două discuri din materiale diferite (zinc și cupru) sunt așezate pe tija electroscopului , acoperite cu un strat subțire de dielectric și aduse în contact. Pentru scurt timp, discurile sunt închise cu sârmă de cupru. În acest caz, între ele apare o diferență de potențial de contact, iar zincul este încărcat pozitiv, iar cuprul este încărcat negativ. În acest caz, se observă o ușoară discrepanță între frunzele electroscopului. Pentru a crește citirile electroscopului, firul de cupru este îndepărtat și discurile sunt îndepărtate. Deoarece sarcina condensatorului format din două discuri nu se modifică, iar capacitatea scade, tensiunea pe condensator crește. În acest caz, frunzele electroscopului diverg la o distanță mai mare.


Măsurarea diferenței de potențial de contact

Valoarea diferenței de potențial de contact depinde de natura chimică a metalelor, de temperatura acestora și nu depinde de forma geometrică și zona de contact. Semnul și mărimea diferenței de potențial de contact pot fi determinate direct din graficele construite conform formulei: . Dependența are loc numai la diferențe negative de potențial între anod și catod (ținând cont de diferența de potențial de contact). Cu diferențe de potențial pozitive, creșterea curentului încetinește, iar dacă se atinge curentul de saturație se oprește (dacă neglijăm efectul Schottky [3] ). Prin urmare, o întrerupere a liniei drepte are loc la , iar tensiunea negativă dintre anod și catod ar trebui să fie socotită din acest punct. Diferența de potențial de contact dintre anod și catod este determinată prin extrapolarea ambelor părți ale graficului cu linii drepte până când acestea se intersectează. Astfel, în funcție de forma liniei grafice , se poate determina diferența de potențial de contact și se poate urmări modul în care aceasta depinde de temperatura catodului.

În practică, măsurarea diferenței de potențial de contact este implementată în metoda de testare nedistructivă cu același nume, utilizată în știință și tehnologie [4] .

Note.

  1. ↑ S. G. Kalashnikov - Electricitate. M: Fiz. Mat. Lit 2008 - 624s.
  2. ↑ Diferența de potențial de contact - bse.sci-lib.com/article064081.html
  3. ↑ Efectul Schottky  // Wikipedia. — 24.12.2020.
  4. ↑ Metoda diferenței de potențial de contact .

Link -uri