Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов (в англоязычной литературе - потенциал Вольты) — это разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух различных твердых проводников, имеющих одинаковую температуру. Различают внутреннюю и внешнюю разности потенциалов в зависимости от того, рассматриваются ли потенциалы эквипотенциального объема контактирующих проводников или же потенциалы вблизи их поверхности.

Контактная разность потенциалов не может быть измерена вольтметром напрямую, однако может проявляться на вольт-амперных характеристиках контакта. Примером устройства, где внешняя контактная разность потенциалов двух металлов влияет на ВАХ, может служить ламповый диод. Внутренняя контактная разность потенциалов лежит в основе работы таких полупроводниковых приборов, как диод на p-n переходе, диод с контактом металл-полупроводник, транзистор, а также ряда других.

Описание

При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода в приконтактной области появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода, отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо, то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых долей вольта до единиц вольт.

Объяснение

Для объяснения внутренней контактной разности потенциалов в металлах прибегают к модели свободных электронов и к зонной теории. Рассмотрим энергетическую диаграмму, изображающую полную энергию одного электрона. Полная энергия электрона равна сумме потенциальной энергии в электрических полях и кинетической энергии. Нулевая полная энергия на энергетической диаграмме соответствует неподвижному электрону вдали от металла (это т.н. энергетический уровень вакуума). Для электрона внутри металла полная энергия будет отрицательна; электрон находится в потенциальной яме.

Рассмотрим вначале энергетическую структуру изолированного металла. Предположим, что температура металла равна 0 К. Энергетическая структура металла в простейшем случае определяется двумя величинами: работой выхода (т.е. расстоянием от уровня Ферми до уровня вакуума) и степенью заполнения верхней зоны электронами (энергия Ферми). Все энергетические уровни от начала энергетической зоны вплоть до уровня Ферми будут заполнены электронами. Максимальная кинетическая энергия электрона, в соответствии с зонной теорией металлов, равна энергии Ферми. Положение уровня Ферми на шкале полных энергий из-за принципа Паули будет являться значением химического потенциала данной системы электронов.

Приведение металлов в соприкосновение выводит систему из равновесия (поскольку химические потенциалы двух металлов не совпадают), происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, приводящая к изменению заряда и электрического потенциала металлов. В приконтактной области начинается рост электрического поля. Появление электрического поля сдвигает все энергетические уровни электронов этих металлов, и вслед за ними будет двигаться уровень Ферми. Когда положение уровня Ферми (химического потенциала) обоих металлов на шкале энергии сравняются, заряд в приконтактной области перестанет меняться, наступит диффузионно-дрейфовое равновесие. Необходимо подчеркнуть, что диффузия электронов практически не меняет ни концентрацию электронов, ни величину энергии Ферми каждого металла. Разность положений нижних краев энергетической зоны в первом и втором металле, отнесенная к заряду электрона, и будет называться внутренней контактной разностью потенциалов.

Опыт Вольта

Вольта доказал существование разности потенциалов следующим опытом. На стержень электроскопа насажены два диска из разных материалов (цинк и медь), покрытых тонким слоем диэлектрика и приведенных в соприкосновение. На короткое время диски замыкаются медной проволокой. При этом между ними возникает контактная разность потенциалов, причём цинк заряжается положительно, а медь — отрицательно. При этом наблюдается небольшое расхождение листочков электроскопа. Для увеличения показаний электроскопа снимается медная проволока и диски раздвигаются. Так как заряд образованного из двух дисков конденсатора не изменяется, а ёмкость уменьшается, то напряжение на конденсаторе возрастает. При этом листочки электроскопа расходятся на большее расстояние.

Измерение контактной разности потенциалов

Величина контактной разности потенциалов зависит от химической природы металлов, их температуры и не зависит от геометрической формы и площади соприкосновения. Знак и величину контактной разности потенциалов можно определить непосредственно по графикам, построенным в соответствии с формулой: $lnI=lnI_{0}-eU/kT$. Зависимость имеет место лишь при отрицательных разностях потенциалов между анодом и катодом (с учётом контактной разности потенциалов). При положительных разностях потенциалов возрастание тока замедляется, а в случае достижения тока насыщения — прекращается (если пренебречь эффектом Шоттки). Поэтому излом прямой $ln(I)=f(U)$ наступает при $U=U_{k}$, и отсчитывать отрицательное напряжение между анодом и катодом следует от этой точки. Контактная разность потенциалов между анодом и катодом определяется путём экстраполяции обеих частей графика прямыми линиями до пересечения. Таким образом, по форме линии графика $ln(I)=f(U)$ можно определить контактную разность потенциалов и проследить, как она зависит от температуры катода.

На практике измерение контактной разности потенциалов реализовано в одноимённом методе неразрушающего контроля, применяемом в науке и технике .

Ссылки

• [1] Теория контактной разности потенциалов
• [bse.sci-lib.com/article064081.html Контактная разность потенциалов в большой советской энциклопедии]
• Контактная разность потенциалов в физической энциклопедии
• Главный редактор А. М. Прохоров. Контактная разность потенциалов // Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия (рус.). — 1983.
• Гончаренко В.И., Олешко В.С. Метод контактной разности потенциалов в оценке энергетического состояния поверхности металлических деталей авиационной техники: монография. - М.: Изд-во МАИ, 2019. - 160 с. - ISBN 978-5-4316-0631-1. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41468420 Полный текст: http://elibrary.mai.ru/MegaPro/UserEntry?Action=Link_FindDoc&id=68387&idb=0

• Термоэлектрические явления
• Эффект Зеебека
• Электрохимический ряд активности (напряжения) металлов