Differenza nel potenziale di contatto

Se due campioni costituiti da due metalli diversi vengono premuti strettamente insieme, si verificherà una differenza di potenziale di contatto tra di loro. Il fisico, chimico e fisiologo italiano Alessandro Volta scoprì questo fenomeno nel 1797 mentre studiava le proprietà elettriche dei metalli.

Quindi Volta ha scoperto che se colleghi i metalli in una catena in questo ordine: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, allora ogni metallo successivo nella catena risultante acquisirà un potenziale di - inferiore al precedente. Inoltre, lo scienziato ha scoperto che diversi metalli combinati in questo modo daranno la stessa differenza di potenziale tra le estremità del circuito formato, indipendentemente dalla sequenza di disposizione di questi metalli in questo circuito - questa posizione è ora nota come legge di Volta dei contatti in serie .

Qui è estremamente importante capire che per l'esatta attuazione della legge della sequenza dei contatti, è necessario che l'intero circuito metallico sia alla stessa temperatura.

Se questo circuito è ora chiuso dalle estremità su se stesso, dalla legge segue che l'EMF nel circuito sarà zero.Ma solo se tutti questi (metallo 1, metallo 2, metallo 3) sono alla stessa temperatura, altrimenti verrebbe violata la legge fondamentale della natura, la legge di conservazione dell'energia.

Per diverse coppie di metalli, la differenza di potenziale di contatto sarà la sua, che va da decimi e centesimi di volt a pochi volt.

Per comprendere il motivo della comparsa della differenza di potenziale di contatto, è conveniente utilizzare il modello a elettroni liberi.

Lascia che entrambi i metalli della coppia siano alla temperatura dello zero assoluto, quindi tutti i livelli di energia, incluso il limite di Fermi, saranno riempiti di elettroni. Il valore dell'energia di Fermi (limite) è correlato alla concentrazione di elettroni di conduzione nel metallo come segue:

m è la massa a riposo dell'elettrone, h è la costante di Planck, n è la concentrazione degli elettroni di conduzione

Tenendo conto di questo rapporto, mettiamo in stretto contatto due metalli con diverse energie di Fermi e quindi con diverse concentrazioni di elettroni di conduzione.

Supponiamo per il nostro esempio che il secondo metallo abbia un'alta concentrazione di elettroni di conduzione e di conseguenza il livello di Fermi del secondo metallo sia superiore a quello del primo.

Quindi, quando i metalli entrano in contatto tra loro, inizierà una diffusione (penetrazione da un metallo all'altro) di elettroni dal metallo 2 al metallo 1, perché il metallo 2 ha livelli energetici di riempimento superiori al livello di Fermi del primo metallo , il che significa che gli elettroni di questi livelli riempiranno i posti vacanti del metallo 1.

Il movimento inverso degli elettroni in una situazione del genere è energeticamente impossibile, poiché nel secondo metallo tutti i livelli energetici inferiori sono già completamente riempiti.Alla fine, il metallo 2 si caricherà positivamente e il metallo 1 si caricherà negativamente, mentre il livello di Fermi del primo metallo diventerà più alto di prima e quello del secondo metallo diminuirà. Questa modifica sarà la seguente:

Di conseguenza, sorgerà una differenza di potenziale tra i metalli in contatto e il campo elettrico corrispondente, che ora impedirà un'ulteriore diffusione degli elettroni.

Il suo processo si fermerà completamente quando la differenza di potenziale raggiungerà un certo valore corrispondente all'uguaglianza dei livelli di Fermi dei due metalli, al quale non ci saranno livelli liberi nel metallo 1 per gli elettroni appena arrivati ​​dal metallo 2, e nel metallo 2 nessun livello sarà liberato sulla possibilità di migrazione di elettroni dal metallo 1. Il bilancio energetico arriverà:

Poiché la carica dell'elettrone è negativa, avremo la seguente posizione relativa ai potenziali:

Anche se originariamente abbiamo assunto la temperatura dei metalli come zero assoluto, tuttavia in modo simile l'equilibrio si verificherà a qualsiasi temperatura.

L'energia di Fermi in presenza di un campo elettrico non sarà altro che il potenziale chimico di un singolo elettrone in un gas di elettroni riferito alla carica di quel singolo elettrone, e poiché in condizioni di equilibrio i potenziali chimici dei gas di elettroni di entrambi i metalli sarà uguale , è solo necessario aggiungere alla considerazione la dipendenza del potenziale chimico dalla temperatura.

Quindi, la differenza di potenziale da noi considerata è chiamata differenza di potenziale di contatto interno e corrisponde alla legge di Volta per i contatti in serie.

Stimiamo questa differenza potenziale, per questo esprimiamo l'energia di Fermi in termini di concentrazione di elettroni di conduzione, quindi sostituiamo i valori numerici delle costanti:

Pertanto, in base al modello dell'elettrone libero, la differenza di potenziale di contatto interno per i metalli è dell'ordine di grandezza da centesimi di volt a diversi volt.