접촉 전위의 차이

두 개의 서로 다른 금속으로 만들어진 두 개의 샘플을 함께 단단히 누르면 두 샘플 사이에 접촉 전위차가 발생합니다. 이탈리아의 물리학자, 화학자, 생리학자인 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)는 1797년 금속의 전기적 특성을 연구하던 중 이 현상을 발견했습니다.

그런 다음 Volta는 금속을 Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd 순서로 체인에 연결하면 결과 체인의 각 후속 금속이 잠재력 - 이전보다 낮습니다. 또한 과학자는 이러한 방식으로 결합된 여러 금속이 이 회로에서 이러한 금속의 배열 순서에 관계없이 형성된 회로의 끝 사이에 동일한 전위차를 제공한다는 것을 발견했습니다. 이 위치는 이제 볼타의 직렬 접촉 법칙으로 알려져 있습니다. .

여기에서 접촉 시퀀스 법칙을 정확하게 구현하려면 전체 금속 회로가 동일한 온도에 있어야 한다는 것을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

이 회로가 이제 자체적으로 끝에서 닫히면 회로의 EMF가 0이 된다는 법칙을 따릅니다.그러나 이들 모두(금속 1, 금속 2, 금속 3)가 같은 온도에 있는 경우에만 그렇지 않으면 자연의 기본 법칙인 에너지 보존 법칙을 위반하게 됩니다.

서로 다른 금속 쌍의 경우 접촉 전위차는 10분의 1에서 100분의 1볼트에서 수 볼트에 이르기까지 자체적입니다.

접촉 전위차가 나타나는 이유를 이해하려면 자유 전자 모델을 사용하는 것이 편리합니다.

쌍의 두 금속이 절대 온도가 0이면 페르미 한계를 포함한 모든 에너지 준위가 전자로 채워집니다. Fermi 에너지(한계)의 값은 다음과 같이 금속의 전도 전자 농도와 관련이 있습니다.

m은 전자의 나머지 질량, h는 플랑크 상수, n은 전도 전자의 농도

이 비율을 고려하여 페르미 에너지가 다르고 따라서 전도 전자의 농도가 다른 두 금속을 밀접하게 접촉시킵니다.

예를 들어 두 번째 금속이 전도 전자의 농도가 높으므로 두 번째 금속의 페르미 준위가 첫 번째 금속보다 높다고 가정해 보겠습니다.

그런 다음 금속이 서로 접촉하면 전자의 확산(한 금속에서 다른 금속으로의 침투)이 금속 2에서 금속 1로 시작됩니다. , 이는 이러한 수준의 전자가 금속 1 공석을 채울 것임을 의미합니다.

이러한 상황에서 전자의 역방향 이동은 두 번째 금속에서 모든 낮은 에너지 레벨이 이미 완전히 채워져 있기 때문에 에너지적으로 불가능합니다.결국 금속 2는 양전하가 되고 금속 1은 음전하가 되며, 첫 번째 금속의 페르미 준위는 이전보다 높아지고 두 번째 금속의 페르미 준위는 감소합니다. 이 변경 사항은 다음과 같습니다.

결과적으로 접촉하는 금속과 해당 전기장 사이에 전위차가 발생하여 전자의 추가 확산을 방지합니다.

그 과정은 전위차가 두 금속의 페르미 준위의 동등성에 해당하는 특정 값에 도달하면 완전히 멈출 것입니다. 이 값에서는 금속 2에서 새로 도착한 전자에 대한 금속 1과 금속 2에 자유 준위가 없습니다. 금속 1에서 전자 이동의 가능성에 대해 어떤 수준도 해제되지 않습니다. 에너지 균형은 다음과 같이 올 것입니다.

전자의 전하는 음수이므로 전위에 대해 다음과 같은 위치를 갖게 됩니다.

우리는 원래 금속의 온도를 절대 영도라고 가정했지만 비슷한 방식으로 모든 온도에서 평형이 발생합니다.

전기장이 존재할 때 페르미 에너지는 단일 전자의 전하라고 하는 전자 가스의 단일 전자의 화학 포텐셜에 지나지 않으며, 평형 조건에서 두 금속의 전자 가스의 화학 포텐셜은 같을 것입니다 , 온도에 대한 화학 포텐셜의 의존성을 고려 사항에 추가하기만 하면 됩니다.

따라서 우리가 고려하는 전위차를 내부 접점 전위차라고 하며 직렬 접점에 대한 볼타의 법칙에 해당합니다.

이 전위차를 추정해 보겠습니다. 이를 위해 전도 전자의 농도로 페르미 에너지를 표현한 다음 상수의 수치를 대체합니다.

따라서 자유 전자 모델을 기반으로 금속의 내부 접촉 전위차는 100분의 1볼트에서 수 볼트 정도의 크기입니다.