الفرق في إمكانية الاتصال

إذا تم الضغط بإحكام على عينتين مصنوعتين من معدنين مختلفين معًا ، فسيحدث فرق جهد الاتصال بينهما. اكتشف الفيزيائي والكيميائي وعالم وظائف الأعضاء الإيطالي أليساندرو فولتا هذه الظاهرة في عام 1797 أثناء دراسته للخصائص الكهربائية للمعادن.

ثم وجد فولتا أنه إذا قمت بتوصيل المعادن في سلسلة بهذا الترتيب: Al ، Zn ، Sn ، Pb ، Bi ، Hg ، Fe ، Cu ، Ag ، Au ، Pt ، Pd ، فإن كل معدن لاحق في السلسلة الناتجة سيكتسب إمكانية - أقل من سابقتها. علاوة على ذلك ، وجد العالم أن العديد من المعادن مجتمعة بهذه الطريقة ستعطي نفس فرق الجهد بين نهايات الدائرة المتكونة ، بغض النظر عن تسلسل ترتيب هذه المعادن في هذه الدائرة - يُعرف هذا الموضع الآن باسم قانون فولتا لسلسلة الاتصالات .

من المهم للغاية هنا أن نفهم أنه من أجل التنفيذ الدقيق لقانون تسلسل التلامس ، من الضروري أن تكون الدائرة المعدنية بأكملها في نفس درجة الحرارة.

إذا كانت هذه الدائرة مغلقة الآن من النهايات على نفسها ، فسيترتب على القانون أن EMF في الدائرة سيكون صفراً.ولكن فقط إذا كانت كل هذه (المعدن 1 ، المعدن 2 ، المعدن 3) في نفس درجة الحرارة ، وإلا فإن قانون الطبيعة الأساسي - قانون الحفاظ على الطاقة - سينتهك.

بالنسبة للأزواج المختلفة من المعادن ، سيكون فرق جهد التلامس خاصًا به ، ويتراوح من أعشار ومئات الفولت إلى عدد قليل من الفولتات.

لفهم سبب ظهور فرق جهد الاتصال ، من الملائم استخدام نموذج الإلكترون الحر.

دع كلا المعدني من الزوج في درجة حرارة الصفر المطلق ، ثم سيتم ملء جميع مستويات الطاقة ، بما في ذلك حد فيرمي ، بالإلكترونات. ترتبط قيمة طاقة Fermi (الحد) بتركيز إلكترونات التوصيل في المعدن على النحو التالي:

م هي الكتلة الباقية للإلكترون ، ح هو ثابت بلانك ، ن هو تركيز إلكترونات التوصيل

مع أخذ هذه النسبة في الاعتبار ، فإننا نصل إلى اتصال وثيق بين معدنين مع طاقات فيرمي المختلفة وبالتالي مع تركيزات مختلفة من إلكترونات التوصيل.

لنفترض على سبيل المثال أن المعدن الثاني يحتوي على تركيز عالٍ من إلكترونات التوصيل ، وبالتالي فإن مستوى فيرمي للمعدن الثاني أعلى من الأول.

بعد ذلك ، عندما تتلامس المعادن مع بعضها البعض ، يبدأ انتشار (اختراق من معدن إلى آخر) للإلكترونات من المعدن 2 إلى المعدن 1 ، لأن المعدن 2 يملأ مستويات طاقة أعلى من مستوى فيرمي للمعدن الأول ، مما يعني أن الإلكترونات من هذه المستويات ستملأ الوظائف الشاغرة في المعدن 1.

إن الحركة العكسية للإلكترونات في مثل هذه الحالة مستحيلة بشدة ، حيث أن جميع مستويات الطاقة المنخفضة في المعدن الثاني ممتلئة بالكامل بالفعل.في النهاية ، سيصبح المعدن 2 موجب الشحنة والمعدن 1 سالب الشحنة ، في حين أن مستوى فيرمي للمعدن الأول سوف يصبح أعلى مما كان عليه ، وسوف ينخفض ​​مستوى المعدن الثاني. سيكون هذا التغيير على النحو التالي:

نتيجة لذلك ، سيظهر فرق جهد بين المعادن المتلامسة والمجال الكهربائي المقابل ، والذي سيمنع الآن المزيد من انتشار الإلكترونات.

ستتوقف عمليتها تمامًا عندما يصل فرق الجهد إلى قيمة معينة تقابل المساواة بين مستويات فيرمي للمعدنين ، حيث لن يكون هناك مستويات حرة في المعدن 1 للإلكترونات التي وصلت حديثًا من المعدن 2 ، وفي المعدن 2 لن يتم تحرير أي مستويات بشأن إمكانية انتقال الإلكترون من المعدن 1. سيأتي توازن الطاقة:

نظرًا لأن شحنة الإلكترون سالبة ، فسيكون لدينا الموضع التالي بالنسبة إلى الإمكانات:

على الرغم من أننا افترضنا في الأصل أن درجة حرارة المعادن هي الصفر المطلق ، إلا أن التوازن بنفس الطريقة سيحدث عند أي درجة حرارة.

لن تكون طاقة فيرمي في وجود مجال كهربائي أكثر من الإمكانات الكيميائية لإلكترون واحد في غاز إلكترون مشار إليه بشحنة ذلك الإلكترون الفردي ، وبما أنه في ظل ظروف التوازن ، فإن الإمكانات الكيميائية لغازات الإلكترون لكلا المعدنين ستكون متساوية ، من الضروري فقط إضافة إلى الاعتبار اعتماد الإمكانات الكيميائية على درجة الحرارة.

لذا ، فإن الاختلاف المحتمل الذي نعتبره من قبلنا يسمى فرق جهد الاتصال الداخلي ويتوافق مع قانون فولتا لجهات الاتصال المتسلسلة.

دعونا نقدر فرق الجهد هذا ، لذلك نعبر عن طاقة فيرمي من حيث تركيز إلكترونات التوصيل ، ثم نستبدل القيم العددية للثوابت:

وبالتالي ، بناءً على نموذج الإلكترون الحر ، يكون فرق جهد التلامس الداخلي للمعادن في حدود المقدار من مائة فولت إلى عدة فولت.