Pagkakaiba sa potensyal na makipag-ugnayan

Kung ang dalawang sample na gawa sa dalawang magkaibang metal ay mahigpit na pinagdikit, pagkatapos ay magkakaroon ng potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga ito. Natuklasan ng Italian physicist, chemist at physiologist na si Alessandro Volta ang phenomenon na ito noong 1797 habang pinag-aaralan ang electrical properties ng mga metal.

Pagkatapos ay nalaman ni Volta na kung ikinonekta mo ang mga metal sa isang kadena sa ganitong pagkakasunud-sunod: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, kung gayon ang bawat kasunod na metal sa nagreresultang kadena ay makakakuha ng isang potensyal na - mas mababa kaysa sa nauna. Bukod dito, natuklasan ng siyentipiko na ang ilang mga metal na pinagsama sa ganitong paraan ay magbibigay ng parehong potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga dulo ng circuit na nabuo, anuman ang pagkakasunud-sunod ng pag-aayos ng mga metal na ito sa circuit na ito - ang posisyon na ito ay kilala na ngayon bilang batas ng Volta ng mga serye ng mga contact. .

Narito ito ay lubos na mahalaga na maunawaan na para sa eksaktong pagpapatupad ng batas ng pagkakasunud-sunod ng contact, kinakailangan na ang buong metal circuit ay nasa parehong temperatura.

Kung ang circuit na ito ay sarado na ngayon mula sa mga dulo sa sarili nito, pagkatapos ay sumusunod mula sa batas na ang EMF sa circuit ay magiging zero.Ngunit kung ang lahat ng ito (metal 1, metal 2, metal 3) ay nasa parehong temperatura, kung hindi, ang pangunahing batas ng kalikasan-ang batas ng konserbasyon ng enerhiya-ay malalabag.

Para sa iba't ibang pares ng mga metal, magiging sarili nito ang potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnayan, mula sa ikasampu at daan-daang bolta hanggang ilang volts.

Upang maunawaan ang dahilan ng paglitaw ng potensyal na pagkakaiba sa pakikipag-ugnay, maginhawang gamitin ang libreng modelo ng elektron.

Hayaang ang parehong mga metal ng pares ay nasa ganap na zero na temperatura, pagkatapos ang lahat ng antas ng enerhiya, kabilang ang limitasyon ng Fermi, ay mapupuno ng mga electron. Ang halaga ng Fermi energy (limitasyon) ay nauugnay sa konsentrasyon ng mga conduction electron sa metal tulad ng sumusunod:

m ay ang natitirang masa ng elektron, h ay pare-pareho ng Planck, n ay ang konsentrasyon ng mga electron ng pagpapadaloy

Isinasaalang-alang ang ratio na ito, pinagsasama namin ang dalawang metal na may magkakaibang mga Fermi energies at samakatuwid ay may iba't ibang konsentrasyon ng mga conduction electron.

Ipagpalagay natin para sa ating halimbawa na ang pangalawang metal ay may mataas na konsentrasyon ng mga conduction electron at naaayon ang antas ng Fermi ng pangalawang metal ay mas mataas kaysa sa una.

Pagkatapos, kapag nagkadikit ang mga metal sa isa't isa, ang pagsasabog (pagpasok mula sa isang metal patungo sa isa pa) ng mga electron ay magsisimula mula sa metal 2 hanggang metal 1, dahil ang metal 2 ay napuno ng mga antas ng enerhiya na mas mataas sa antas ng Fermi ng unang metal. , na nangangahulugan na ang mga electron mula sa mga antas na ito ay pupunuin ang mga bakanteng metal 1.

Ang reverse na paggalaw ng mga electron sa ganitong sitwasyon ay energetically imposible, dahil sa pangalawang metal ang lahat ng mas mababang antas ng enerhiya ay ganap na napuno.Sa kalaunan, ang metal 2 ay magiging positibong sisingilin at ang metal 1 ay negatibong sisingilin, habang ang antas ng Fermi ng unang metal ay magiging mas mataas kaysa dati, at ang antas ng pangalawang metal ay bababa. Ang pagbabagong ito ay magiging tulad ng sumusunod:

Bilang resulta, ang isang potensyal na pagkakaiba ay lilitaw sa pagitan ng mga metal na nakikipag-ugnay at ang kaukulang electric field, na ngayon ay maiiwasan ang karagdagang pagsasabog ng mga electron.

Ang proseso nito ay ganap na titigil kapag ang potensyal na pagkakaiba ay umabot sa isang tiyak na halaga na tumutugma sa pagkakapantay-pantay ng mga antas ng Fermi ng dalawang metal, kung saan walang mga libreng antas sa metal 1 para sa mga bagong dating na electron mula sa metal 2, at sa metal 2 walang mga antas na mapapalaya sa posibilidad ng paglipat ng elektron mula sa metal 1. Darating ang balanse ng enerhiya:

Dahil ang singil ng elektron ay negatibo, magkakaroon tayo ng sumusunod na posisyon na may kaugnayan sa mga potensyal:

Bagama't orihinal na ipinapalagay natin na ang temperatura ng mga metal ay ganap na zero, ngunit sa katulad na paraan ay magaganap ang ekwilibriyo sa anumang temperatura.

Ang enerhiya ng Fermi sa pagkakaroon ng isang electric field ay hindi hihigit sa potensyal na kemikal ng isang electron sa isang electron gas na tinutukoy sa singil ng solong electron na iyon, at dahil sa ilalim ng mga kondisyon ng equilibrium ang mga potensyal na kemikal ng mga electron gas ng parehong mga metal magiging pantay , kinakailangan lamang na idagdag sa pagsasaalang-alang ang pag-asa ng potensyal ng kemikal sa temperatura.

Kaya, ang potensyal na pagkakaiba na isinasaalang-alang namin ay tinatawag na internal contact potential difference at tumutugma sa batas ng Volta para sa mga series na contact.

Tantyahin natin ang potensyal na pagkakaiba na ito, para dito ipinapahayag namin ang enerhiya ng Fermi sa mga tuntunin ng konsentrasyon ng mga conduction electron, pagkatapos ay palitan ang mga numerical na halaga ng mga constant:

Kaya, batay sa modelo ng libreng elektron, ang panloob na pagkakaiba sa potensyal ng pakikipag-ugnay para sa mga metal ay nasa pagkakasunud-sunod ng magnitude mula sa daan-daang isang bolta hanggang ilang volts.