Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Возникновение контактной разности потенциалов происходит прежде всего потому, что различные металлы характеризуются разной работой выхода. Электроны легче переходят из металла, для которого работа выхода имеет меньшее значение, в металл, для которого работа имеет большее значение, чем в обратном направлении. Первый металл заряжается положительно, второй отрицательно. При этом на их границе возникает двойной слой разноименных зарядов, внутри которого существует сильное электрическое поле. Легко понять, что это поле будет тормозить дальнейший переход электронов из первого металла во второй и в то же время способствовать их обратному переходу. В результате между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, при котором напряженность поля в двойном слое, а следовательно, и разность потенциалов, до которой заряжаются металлы, достигает максимального значения. [1]

Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин: 1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. [2]

Возникновение контактной разности потенциалов в случае контакта металл-полупроводник принципиально не отличается от контакта металл-металл, так как она будет определяться разностью работ выхода металла и полупроводника. Однако отличие свойств полупроводника от металла, обусловленное возможностью значительного изменения концентраций носителей заряда в полупроводниках, приводит к возникновению специфических явлений на контакте металл-полупроводник. [4]

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце XVI11 в. [5]

Возникновение контактной разности потенциалов определяется следующим процессом. При соприкосновении металлов в месте их контакта происходит взаимное перемещение электронов. [7]

Объясните возникновение контактной разности потенциалов в контакте двух металлов и двух полупроводников. [9]

Рассмотрим возникновение контактной разности потенциалов при контакте полупроводника и металла. [10]

Все остальные энергетические уровни после возникновения контактной разности потенциалов должны соответственно изогнуться. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрываются друг с другом. [15]

Источник

Контактная разность потенциалов

Если два образца, изготовленные из двух разных металлов, плотно прижать друг к другу, то между ними возникнет контактная разность потенциалов. Итальянский физик, химик и физиолог Алессандро Вольта обнаружил данный феномен в 1797 году, занимаясь изучением электрических свойств металлов.

Вольта установил тогда, что если соединить металлы в цепь в таком порядке: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, то каждый следующий металл в полученной цепочке обретет потенциал ниже предыдущего. Кроме того ученый выяснил, что несколько металлов, объединенные таким способом, дадут одну и ту же разность потенциалов между концами образованной цепи, независимо от последовательности расположения данных металлов в этой цепи — это положение известно теперь как закон последовательных контактов Вольта.

Здесь крайне важно понимать, что для точного выполнения закона последовательности контактов необходимо, чтобы вся цепочка металлов находилась при одной и той же температуре.

Для различных пар металлов контактная разность потенциалов будет своей определенной, из диапазона от десятых и сотых долей вольта до единиц вольт.

Чтобы понять причину появления контактной разности потенциалов, удобно воспользоваться моделью свободных электронов.

Пусть оба металла пары находятся при абсолютно нулевой температуре, тогда все уровни энергии, включая границу Ферми, окажутся заполнены электронами. Значение энергии (границы) Ферми связано с концентрацией электронов проводимости в металле следующим соотношением:

Принимая во внимание данное соотношение, приведем в плотный контакт два металла с разными энергиями Ферми, и следовательно с разными концентрациями электронов проводимости.

Допустим для нашего примера, что второй металл имеет большую концентрацию электронов проводимости, и соответственно уровень Ферми у второго металла выше чем у первого.

Тогда при соприкосновении металлов друг с другом начнется диффузия (проникновение из одного металла — в другой) электронов из металла 2 — в металл 1, ведь в металле 2 есть заполненные энергетические уровни, которые находятся выше уровня Ферми первого металла, значит электроны с этих уровней станут заполнять в металле 1 свободные верхние уровни.

Обратное движение электронов в такой ситуации энергетически невозможно, ведь во втором металле все нижележащие уровни энергии уже полностью заполнены. В конце концов металл 2 зарядится положительно, а металл 1 — отрицательно, при этом уровень Ферми первого металла станет выше чем был, а у второго металла — снизится. Изменение это будет таковым:

В результате между контактирующими металлами возникнет разность потенциалов, и соответствующее ей электрическое поле, которое теперь станет препятствовать дальнейшей диффузии электронов.

Ее процесс полностью остановится, когда разность потенциалов достигнет определенной величины, соответствующей равенству уровней Ферми двух металлов, при котором в металле 1 не останется свободных уровней для вновь поступающих электронов из металла 2, а в металле 2 так и не освободятся уровни для возможности миграции электронов из металла 1. Наступит энергетическое равновесие:

Поскольку заряд электрона отрицателен, то будем иметь следующее положение относительно потенциалов:

Хотя изначально мы и приняли температуру металлов равной абсолютному нулю, тем не менее аналогичным образом равновесие будет наступать при любой температуре.

Энергия Ферми при наличии электрического поля будет ни чем иным как химическим потенциалом единственного электрона в электронном газе, отнесенным к заряду этого самого единичного электрона, а так как в условиях равновесия химические потенциалы электронных газов обеих металлов будут равны, то стоит лишь добавить в рассмотрение зависимость химического потенциала от температуры.

Итак, рассмотренная нами разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов и удовлетворяет закону последовательных контактов Вольта.

Давайте оценим данную разность потенциалов, для этого выразим энергии Ферми через концентрации электронов проводимости, после чего подставим численные значения констант:

Таким образом, на базе модели свободных электронов, внутренняя контактная разность потенциалов для металлов имеет порядок величин от сотых долей вольта до единиц вольт.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Контактная разность потенциалов (фотонная концепция)

В данной работе показана некорректность модели свободного электрона для интерпретации явления контактной разности потенциалов. В качестве альтернативы предложена фотонная концепция, на основании которой показано, что контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации генерируемых фотонов, обусловленной уникальными энергетическими спектрами атомов вещества.

Введение. Контактная разность потенциалов [1] — разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия.

В 1800 г. А. Вольта — итальянский физик, химик и физиолог, в отличие от теории «живого электричества» Л. Гальвани, предложил свою теорию «металлического» (впоследствии оно было названо гальваническим) электричества. Согласно этой теории, гальванический электрический ток возникает в результате контакта двух разных металлов (например, железа и меди). Проведя серию экспериментов с проводниками, изготовленными из металлов разного рода, Вольта сумел доказать, что при контакте двух неодинаковых по происхождению металлов один из них становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным. Это открытие итальянского физика и получило название контактная разность потенциалов. Сам Вольта описывал это понятие, как разность напряжений металлов. [2].

В современных условиях это понятие играет важную роль в физике твёрдого тела и её приложениях. Оно оказывает заметное влияние на работу электровакуумных приборов, используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Явление возникновения контактной разности потенциалов лежит в основе термоэлектрических эффектов, разрешающее создание таких устройств как термопары. Внутренняя контактная разность потенциалов как функция температуры дает возможность применять их для дистанционного контроля температуры (например, в загазованных помещениях) и т.д.

Однако особую важность это понятие приобретает в одном из новейших научных направлений современности – нанофизике и наноэлектронике [3].

Вместе с тем физическая сущность этого явления и механизм его возникновения все еще носят характер предположения и не соответствуют потребностям современной физики. В курсе общей физики, например [4], возникновение контактной разности потенциалов рассматривается как следствие двух причин:

1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. Поэтому между двумя металлами при их контакте возникает разность потенциалов, равная

где А₁и А₂— работа выхода соответственно первого и второго металлов, е — заряд электрона;

2) различная концентрация свободных электронов в металлах. При соприкосновении двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретет положительный заряд. Другой металл, имеющий меньшую концентрацию электронов вследствие их диффузии, зарядится отрицательно.

Переход электронов и рост напряжения прекратятся, когда электрические силы уравновесятся сторонними силами, вызывающими диффузию свободных электронов. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии свободных электронов, равна

где k — постоянная Больцмана, е — заряд электрона, n₁и n₂ — концентрации свободных электронов соответственно в первом и втором металлах.

Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, будет равна

Согласно определению классической физики [5] электрон — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества.

Диффузия [6] (от лат. diffusio распространение, растекание) взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия свободных электронов это движение электронов, т. е. движение структурных единиц вещества, в соответствии с которым должны происходить изменения физико-химических свойств вещества (согласно определению). С другой стороны, движение свободных электронов образует электрический ток. В 1901 г. немецкий физик К Рикке провел опыт [7] по установлению носителя электрического заряда и решения проблемы: чем обусловлен электрический ток?, на основании которого был сделан вывод, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлических проводников никаких изменений в проводниках не произошло. … электрический ток в цепи не сопровождается переносом вещества, а носителями электрического тока в металлах является то общее, что присутствует во всех металлах.

Очевидно, что интерпретация контактной разности потенциалов за счет диффузии свободных электронов противоречит как классическому определению понятия “электрон”, так и опыту Рикке, в соответствии с чем несостоятельна. Кроме того,

существуют варианты контактов различных металлов, когда диффузия свободных электронов не может осуществляться. В частности, в работе [8] было показано, что в двух проводниках, один из серебра, другой из золота, при равных геометрических параметрах и прочих условиях, концентрация валентных электронов одинаковая, т. е. диффузия практически не реализуема.

Таким образом, основной причиной контактной разности потенциалов становится работа выхода электрона. Согласно современным представлениям [9]: работа выхода — энергия, которая затрачивается твёрдым или жидким телом при тепловом возбуждении электрона этого тела в вакууме (в состояние с равной нулю кинетической энергией). Работа выхода равна разности двух энергий: 1) энергии покоящегося электрона, находящегося в такой точке вне тела, которая, с одной стороны, удалена от поверхности тела на расстояние, во много раз превышающее межатомные расстояния, а с другой стороны, гораздо ближе к рассматриваемой поверхности тела, чем к другим телам и к краю этой поверхности (в частности, эта точка должна быть далека от края рассматриваемой кристаллической грани); 2) электрохимический потенциала электронов в рассматриваемом теле, который в состоянии термодинамического равновесия одинаков во всех точках тела. Если электростатический потенциал в вакууме в указанной точке равен φ_вак, в объёме тела — φ_об, Е_ф — ферми-энергия электронов (уровень их хим. потенциала), Е_ф — е φ_об — эл—хим. потенциал электронов в рассматриваемом теле, то работа выхода равна

Работу выхода измеряют по температурной зависимости и по величине термоэмиссионного тока; в металлах и вырожденных полупроводниках — по красной границе внешнего фотоэффекта, а также по измерению контактной разности

потенциалов между исследуемым телом и другим телом, работа выхода которого известна. [9, 10] При этом наблюдается существенный разброс параметров различных методик измерения, например, у золота 2,0 – 5,45 эВ, серебра 3,09 – 4,97 эВ. [11]

В работе [12] было показано, что энергия связи электрона с протоном протон-электронных пар, которые образуют внешний слой атомов вещества находится в пределах 34,65 – 322,7 КэВ. Для отрыва электрона из данных протон-электронных пар потребуется приложить энергию не меньшую энергии связи, которая в дес. – сотни тысяч раз будет больше работы выхода.

Отсутствие единой методики измерения работы выхода, несовершенство существующих методик, а также несоответствие значений работы выхода электронов и энергии связи электрона в протон-электронной паре указывают на некорректность интерпретации контактной разности потенциалов за счет работы выхода электрона. В этой связи становится актуальной задача поиска концепции интерпретации контактной разности потенциалов, свободной от выше указанных недостатков.

Фотонная концепция. Теоретическая часть. В результате действия внешних и внутренних факторов (температуры, магнитных и электрических сил, излучения и т. д.) на проводник, в нем протекают процессы поглощения-генерации фотонов, которые обуславливают появление в проводнике фотонов. Условием генерации новых фотонов в проводнике является неравенство Е_вн. ≥ Е_ф., где Е_вн. – энергия внешних и внутренних факторов, Е_ф – энергия генерируемых фотонов.

Энергетическая структура каждого атома вещества характеризуется соответствующими уникальными спектрами излучения и поглощения.

По определению [13], спектральная плотность энергии излучения u_ω = ћωn_ω = hνn_ω или u_λ = hc/λ n_λ, где h – постоянная Планка, с – скорость света. Согласно этому распределению число фотонов n_ф в единице объема пространства, обладающих энергией в интервале длин волн от λ до λ + dλ, выражается формулой:

Выражение (2) показывает, что количество генерируемых фотонов в проводнике определяется спектральной плотностью энергии излучения данного проводника и длиной волны генерируемых фотонов. Знак минус указывает на то, что с увеличением длины волны фотона количество генерируемых фотонов уменьшается. Так как спектральная плотность каждого проводника характеризуется диапазоном длин волн, то наименьшее количество генерируемых фотонов будет определяться энергией фотонов максимальной длины волны, которая интерпретируется в современной физике как красная граница фотоэффекта.

Спектральная плотность любого атома вещества характеризуется линейчатым спектром. Для определения общего количества генерируемых фотонов n_ф в конкретном проводнике, необходимо просуммировать значения генерируемых фотонов для каждого значения длины волны линейчатого спектра.

Каждый фотон характеризуется величиной электрического заряда. Для простоты будем считать величину электрического заряда е для фотонов разных длин волн одинаковой. Тогда электрический потенциал в объеме проводника будет определяться выражением φ_{об =} n_ф е.

Ввиду уникальности спектральных характеристик для различных металлов в объеме проводников будут формироваться разные по величине электрические потенциалы.

Тогда при контакте двух металлов возникнет разность потенциалов, равная

Электрический потенциал проводника характеризует потенциальную энергию, образуемую сгенерированными фотонами Е_ф = φ_об е. Соответственно контактная разность потенциалов может быть выражена следующим образом

где Е_ф1 и Е_ф2 — энергетические спектры энергии поглощения (излучения) соответственно первого и второго металлов, е — заряд фотона.

Таким образом, контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации, обусловленной генерацией фотонов в проводниках внешними и внутренними факторами.

В нормальных условиях (физ. условия, определяемые давлением р = 101 325 Па (760 мм рт. ст., нормальная атмосфера) и температурой t = 273,15 К (0°С), при которых молярный объём газа V0 = 2,2414-10-2 м3/моль. [14]) в естественной среде внешним фактором всегда является температура. Оценим вклад энергии, которая характеризуется температурой Т = 300 К:

Е_т =3/2 kT ≈ 0,03875 эВ.

Согласно спектральным характеристикам, например [15], известен фотон с максимальной длиной волны (у водорода) равной 19056,9 нм. Энергия генерируемой пары этих фотонов равна ≈ 0,065 эВ. У металлов красная граница фотоэффекта значительно меньшей длины волны, чем у водорода. Например, для натрия она равна 9085 нм, что соответствует энергии 0,136 эВ. Таким образом, вклад температурной составляющей при генерации фотонов, например, у натрия (Е_т ≈ 0,03875 эВ 0 показывает, что наиболее активным в химическом отношении и имеющим наименьшее значение потенциала (-3,0401 В) являтся третий элемент периодической таблицы химических элементов – литий Li, состоящий из трех протон-электронных пар и трех нейтронов. Последним в указанном ряду является золото Au (+1,691 В), — элемент 11 группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы первой группы), шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 79, имеющий соответственно 79 протон-электронных пар и 118 нейтронов.

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися проводниками было открыто А. Вольта. Он экспериментально установил два закона, носящие его имя:

циалов, зависящая от их химического состава и температуры;

нескольких, последовательно соединенных металлических проводников, которые

находятся при одинаковой температуре, не зависит от промежуточных проводни-

ков и полностью определяется контактной разностью потенциалов крайних

Фотонная концепция контактной разности потенциалов позволяет уточнить сущность этих законов. В частности, в законе (1) под термином “химический состав” следует понимать “электронная конфигурация” химических элементов. Закон (2) подтверждается выше приведенным выражением (3).

Выводы. Современная интерпретация контактной разности потенциалов основана на мифологии модели свободного электрона и в не состоянии раскрыть механизм и физическую сущность этого явления.

В качестве альтернативы предложена фотонная концепция интерпретации контактной разности потенциалов, на основании которой показано, что контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации генерируемых фотонов, обусловленной уникальной электронной конфигурацией атомов вещества, формирующей уникальные энергетические спектры.

Понятие работа выхода электрона не корректно и является подменой понятия красная граница фотоэффекта – энергия фотона максимальной длины волны линейчатого энергетического спектра атома вещества.

Наиболее достоверным способом измерения величины работы выхода на сегодняшний день является методика определения по красной границе фотоэффекта.

При нормальных условиях определяющим фактором контактной разности потенциалов являются внутриатомные магнитные силы, образуемые нейтронами атомов контактируемых проводников.

Источник