Rozdíl kontaktních potenciálů

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 24. března 2017; kontroly vyžadují 24 úprav .

Rozdíl kontaktních potenciálů (v anglické literatuře - Volta potential ) je rozdíl potenciálů , ke kterému dochází, když se dva různé pevné vodiče dostanou do kontaktu se stejnou teplotou . Existují vnitřní a vnější potenciálové rozdíly podle toho, zda jsou uvažovány potenciály ekvipotenciálního objemu kontaktujících vodičů nebo potenciály v blízkosti jejich povrchu [1] .

Rozdíl potenciálu kontaktu nelze měřit přímo voltmetrem , ale může se objevit na charakteristikách proudového napětí kontaktu. Příkladem zařízení, kde rozdíl potenciálu vnějšího kontaktu dvou kovů ovlivňuje I–V charakteristiku, je elektronková dioda . Rozdíl vnitřního kontaktního potenciálu je základem činnosti takových polovodičových zařízení, jako jsou dioda pn přechodu , dioda kov-polovodič , tranzistor a řada dalších.

Popis

Při kontaktu dvou vodičů s různými pracovními funkcemi se v oblasti blízkého kontaktu objeví elektrické náboje. A mezi jejich volnými konci je potenciální rozdíl . Hodnota rozdílu potenciálu vnějšího kontaktu se rovná rozdílu pracovních funkcí na náboj elektronu. Pokud jsou vodiče zapojeny do kruhu, pak EMF v kruhu bude rovna 0. Pro různé páry kovů se hodnota rozdílu potenciálu kontaktu pohybuje od desetin voltu do několika voltů [2] .

Vysvětlení

K vysvětlení rozdílu vnitřního kontaktního potenciálu v kovech se uchýlí k modelu volných elektronů a k teorii pásem . Uvažujme energetický diagram zobrazující celkovou energii jednoho elektronu. Celková energie elektronu se rovná součtu potenciální energie v elektrických polích a kinetické energie. Nulová celková energie na energetickém diagramu odpovídá stacionárnímu elektronu daleko od kovu (jedná se o tzv. hladinu energie vakua). Pro elektron uvnitř kovu bude celková energie záporná; elektron je v potenciálové jámě.

Nejprve zvažte energetickou strukturu izolovaného kovu. Předpokládejme, že teplota kovu je 0 K. Energetickou strukturu kovu v nejjednodušším případě určují dvě veličiny: pracovní funkce (tj. vzdálenost od Fermiho hladiny k hladině vakua) a stupeň vyplnění horního pásu elektrony ( Fermiho energie ). Všechny energetické hladiny od začátku energetického pásma až po Fermiho hladinu budou naplněny elektrony. Maximální kinetická energie elektronu je v souladu s pásmovou teorií kovů rovna Fermiho energii. Poloha Fermiho hladiny na stupnici celkových energií díky Pauliho principu bude hodnotou chemického potenciálu daného systému elektronů.

Uvedení kovů do kontaktu vyvede systém z rovnováhy (protože chemické potenciály dvou kovů se neshodují), dochází k difúzi elektronů ve směru snižování jejich energie, což vede ke změně náboje a elektrického potenciálu kovů. V oblasti blízkého kontaktu začíná růst elektrického pole. Vzhled elektrického pole posune všechny energetické hladiny elektronů těchto kovů a Fermiho hladina se bude pohybovat po nich. Když se pozice Fermiho hladiny (chemického potenciálu) obou kovů na energetické škále vyrovnají, náboj v oblasti blízkého kontaktu se přestane měnit a nastane rovnováha difuze-drift. Je třeba zdůraznit, že elektronová difúze prakticky nemění ani koncentraci elektronů, ani hodnotu Fermiho energie každého kovu. Rozdíl v polohách spodních okrajů energetického pásma v prvním a druhém kovu, vztažený na náboj elektronu, se bude nazývat rozdíl vnitřního kontaktního potenciálu.

Voltova zkušenost

Volta prokázala existenci rozdílu potenciálů následujícím experimentem. Dva kotouče z různých materiálů (zinek a měď) jsou umístěny na tyči elektroskopu , pokryty tenkou vrstvou dielektrika a uvedeny do kontaktu. Na krátkou dobu jsou kotouče uzavřeny měděným drátem. V tomto případě mezi nimi vzniká rozdíl kontaktních potenciálů a zinek je nabit kladně a měď záporně. V tomto případě je pozorován mírný nesoulad mezi listy elektroskopu. Aby se zvýšily hodnoty elektroskopu, měděný drát se odstraní a disky se oddálí. Protože se náboj kondenzátoru vytvořeného ze dvou disků nemění a kapacita se snižuje, napětí na kondenzátoru se zvyšuje. V tomto případě se listy elektroskopu rozbíhají na větší vzdálenost.


Měření rozdílu kontaktních potenciálů

Hodnota rozdílu kontaktního potenciálu závisí na chemické povaze kovů, jejich teplotě a nezávisí na geometrickém tvaru a ploše kontaktu. Znaménko a velikost rozdílu kontaktních potenciálů lze určit přímo z grafů sestrojených podle vzorce: . Závislost probíhá pouze při záporných potenciálových rozdílech mezi anodou a katodou (s přihlédnutím k rozdílu kontaktních potenciálů). Při kladných potenciálových rozdílech se nárůst proudu zpomaluje a při dosažení saturačního proudu se zastaví (pokud zanedbáme Schottkyho jev [3] ). Proto dojde k přerušení přímky v a záporné napětí mezi anodou a katodou by se mělo počítat od tohoto bodu. Rozdíl kontaktních potenciálů mezi anodou a katodou je určen extrapolací obou částí grafu přímkami, dokud se neprotnou. Podle tvaru čáry grafu lze tedy určit rozdíl kontaktních potenciálů a vysledovat, jak závisí na teplotě katody.

V praxi je měření rozdílu kontaktních potenciálů realizováno ve stejnojmenné nedestruktivní testovací metodě, používané ve vědě a technice [4] .

Poznámky.

  1. ↑ S. G. Kalašnikov - Elektřina. M: Phys. Rohož. Rozsvíceno 2008 - 624s.
  2. ↑ Rozdíl kontaktních potenciálů - bse.sci-lib.com/article064081.html
  3. ↑ Schottkyho efekt  // Wikipedie. — 24. 12. 2020.
  4. ↑ Metoda rozdílu kontaktních potenciálů .

Odkazy