2. Контакт двох металів по зонній теорії, контактна різниця потенціалів

Якщо два різні метали привести в зіткнення, то між ними виникає різниця потенціалів, яку називають контактною різницею потенціалів. При цьому в оточуючому метали просторі з'являється електричне поле.

Італійський фізик А. Вольта (1745—1827) встановив, що якщо метали А1, Zn, Sn, РЬ, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт у вказаній послідовності, то кожний попередній при зіткненні з одним із наступних металів зарядиться позитивно. Цей ряд називається рядом Вольта. Контактна різниця потенціалів для різних металів коливається від десятих до цілих вольт.

Вольта експериментально встановив два закони:

1. Контактна різниця потенціалів залежить лише від хімічного складу і температури дотичних металів.

2. Контактна різниця потенціалів послідовно з'єднаних різних провідників, що перебувають при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників і дорівнює контактній різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому з'єднанні крайніх провідників.

Для пояснення виникнення контактної різниці потенціалів скористаємося представленнями зонної теорії. Розглянемо контакт двох металів з різними роботами виходу А₁ і А₂, тобто з різними положеннями рівня Фермі (верхнього заповненого електронами енергетичного рівня).

Якщо А₁ < А₂ (цей випадок показано на рис. 32.1, а), то рівень Фермі розміщується в металі 1 вище, ніж у металі 2. Отже, при контакті металів електрони з більш високих рівнів металу 1 переходитимуть на більш низькі рівні металу 2, що приведе до того, що метал 1 заряджатиметься позитивно, а метал 2 – негативно. Одночасно відбувається відносний зсув енергетичних рівнів: в металі, що заряджається позитивно, всі рівні зміщуються вниз, а в металі, що заряджається негативно, – вгору. Цей процес відбуватиметься доти, поки між металами, що торкаються один одного, не встановиться рівновага, яка, як доводиться в статистичній фізиці, характеризується збігом рівнів Фермі в обох металах (рис. 32.1, б).

Рис. 32.1

Оскільки для металів, що торкаються один одного, рівні Фермі співпадають, а роботи виходу А₁ і А₂ не змінюються (вони є константами металів і не залежать від того, перебувають метали в контакті чи ні), то потенціальна енергія електронів в точках, що лежать ззовні від металів в безпосередній близькості до їх поверхні (точки А і В на рис. 32.1, б), буде різною.

Отже, між точками А і В встановлюється різниця потенціалів, яка, як випливає з рисунка, дорівнює

.

Різниця потенціалів , яка зумовлена відмінністю робіт виходу контактуючих металів, називаєтьсязовнішньою контактною різницею потенціалів, або контактною різницею потенціалів.

Якщо рівні Фермі для двох контактуючих металів не однакові, то між внутрішніми точками металів спостерігається внутрішня контактна різниця потенціалів, яка, як випливає з рисунка, дорівнює

.

В квантовій теорії доводиться, що причиною виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів є відмінність концентрацій електронів в контактуючих металах. залежить від температуриТ контакту металів (оскільки спостерігається залежність відT), яка зумовлює термоелектричні явища. Як правило, .

Зазначимо, що у разі приведення у зіткнення трьох різнорідних провідників, що мають однакову температуру, то різниця потенціалів між кінцями розімкненого кола дорівнюватиме алгебраїчній сумі стрибків потенціалу у всіх контактах і відповідно до другого закону Вольта не залежатиме від природи проміжних провідників.

Внутрішня контактна різниця потенціалів виникає в подвійному електричному шарі, що утворюється в приконтактній області і називається контактним шаром. Товщина контактного шару в металах становить приблизно 10^-10 м, тобто співмірна з міжвузельними відстанями в гратках металу. Число електронів, що беруть участь в дифузії через контактний шар, становить приблизно 2% від загального числа електронів, що знаходяться на поверхні металу. Таке незначне змінювання концентрації електронів в контактному шарі, з одного боку, і мала порівняно з довжиною вільного пробігу електрона його товщина – з іншого боку, не можуть привести до помітного змінювання провідності контактного шару порівняно з рештою частини металу. Отже, електричний струм через контакт двох металів проходить так само легко, як і через самі метали, тобто контактний шар проводить електричний струм в обох напрямах (1 2 і 2 1) однаково і не дає ефекту випрямляння, який завжди пов'язаний з односторонньою провідністю.