Kontaktpotentialskillnad

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 mars 2017; kontroller kräver 24 redigeringar .

Kontaktpotentialskillnad (i engelsk litteratur - Volta potential ) är potentialskillnaden som uppstår när två olika fasta ledare kommer i kontakt med samma temperatur . Det finns interna och externa potentialskillnader beroende på om potentialerna för ekvipotentialvolymen hos de kontaktande ledarna eller potentialerna nära deras yta beaktas [1] .

Kontaktpotentialskillnaden kan inte mätas direkt med en voltmeter , men den kan visas på kontaktens strömspänningsegenskaper . Ett exempel på en enhet där en extern kontaktpotentialskillnad mellan två metaller påverkar I–V-karakteristiken är en rördiod . Den interna kontaktpotentialskillnaden ligger till grund för driften av sådana halvledarenheter som en pn-övergångsdiod , en metall-halvledardiod , en transistor och ett antal andra.

Beskrivning

När två ledare med olika arbetsfunktioner kommer i kontakt uppstår elektriska laddningar i närkontaktområdet. Och mellan deras fria ändar finns det en potentiell skillnad . Värdet på den externa kontaktpotentialskillnaden är lika med skillnaden i arbetsfunktionerna per elektronladdning. Om ledarna är anslutna i en ring blir EMF i ringen lika med 0. För olika metallpar sträcker sig värdet på kontaktpotentialskillnaden från tiondels volt till några få volt [2] .

Förklaring

För att förklara den interna kontaktpotentialskillnaden i metaller, tillgriper man modellen av fria elektroner och till bandteorin . Betrakta ett energidiagram som visar den totala energin för en elektron. Den totala energin för en elektron är lika med summan av potentiell energi i elektriska fält och kinetisk energi. Noll total energi på energidiagrammet motsvarar en stationär elektron långt från metallen (detta är den så kallade vakuumenerginivån). För en elektron inuti en metall kommer den totala energin att vara negativ; elektronen är i en potentialbrunn.

Tänk först på energistrukturen hos en isolerad metall. Låt oss anta att metallens temperatur är 0 K. Metallens energistruktur i det enklaste fallet bestäms av två storheter: arbetsfunktionen (d.v.s. avståndet från Fermi-nivån till vakuumnivån) och graden av fyllning av det övre bandet med elektroner ( Fermi energi ). Alla energinivåer från början av energibandet upp till Ferminivån kommer att fyllas med elektroner. Den maximala kinetiska energin för en elektron, i enlighet med bandteorin för metaller, är lika med Fermi-energin. Placeringen av Fermi-nivån på skalan av totala energier på grund av Pauli-principen kommer att vara värdet av den kemiska potentialen för ett givet system av elektroner.

Att föra metaller i kontakt bringar systemet ur balans (eftersom de kemiska potentialerna hos de två metallerna inte sammanfaller), sker diffusion av elektroner i riktning mot att minska deras energi, vilket leder till en förändring i metallernas laddning och elektriska potential. I nära-kontaktområdet börjar tillväxten av det elektriska fältet. Uppkomsten av ett elektriskt fält förskjuter alla energinivåer för elektronerna i dessa metaller, och Fermi-nivån kommer att röra sig efter dem. När positionerna för Fermi-nivån (kemisk potential) för båda metallerna på energiskalan blir lika, kommer laddningen i området nära kontakt att upphöra att förändras och diffusionsdriftjämvikt kommer. Det bör betonas att elektrondiffusion praktiskt taget inte förändrar vare sig elektronkoncentrationen eller värdet av Fermi-energin för varje metall. Skillnaden i positionerna för energibandets nedre kanter i den första och andra metallen, hänvisad till elektronens laddning, kommer att kallas den interna kontaktpotentialskillnaden.

Voltas erfarenhet

Volta bevisade förekomsten av en potentialskillnad genom följande experiment. Två skivor av olika material (zink och koppar) placeras på elektroskopets stav , täcks med ett tunt lager av dielektrikum och bringas i kontakt. Under en kort stund stängs skivorna med koppartråd. I det här fallet uppstår en kontaktpotentialskillnad mellan dem, och zink laddas positivt och koppar är negativt laddat. I det här fallet observeras en liten avvikelse mellan elektroskopets blad. För att öka avläsningarna av elektroskopet tas koppartråden bort och skivorna flyttas isär. Eftersom laddningen av kondensatorn som bildas av två skivor inte förändras, och kapacitansen minskar, ökar spänningen över kondensatorn. I det här fallet divergerar elektroskopets blad till ett större avstånd.


Mätning av kontaktpotentialskillnad

Värdet på kontaktpotentialskillnaden beror på metallernas kemiska natur, deras temperatur och beror inte på den geometriska formen och kontaktytan. Tecknet och storleken på kontaktpotentialskillnaden kan bestämmas direkt från graferna konstruerade i enlighet med formeln: . Beroendet sker endast vid negativa potentialskillnader mellan anod och katod (med hänsyn till kontaktpotentialskillnaden). Med positiva potentialskillnader saktar strömökningen ner, och om mättnadsströmmen uppnås stannar den (om vi försummar Schottky-effekten [3] ). Därför uppstår ett brott i den räta linjen vid , och den negativa spänningen mellan anoden och katoden bör räknas från denna punkt. Kontaktpotentialskillnaden mellan anoden och katoden bestäms genom att extrapolera båda delarna av grafen med raka linjer tills de skär varandra. Således, enligt formen på graflinjen , kan man bestämma kontaktpotentialskillnaden och spåra hur den beror på katodtemperaturen.

I praktiken implementeras mätningen av kontaktpotentialskillnaden i den oförstörande testmetoden med samma namn, som används inom vetenskap och teknik [4] .

Anteckningar.

  1. ↑ S. G. Kalashnikov - Elektricitet. M: Fysisk. Matta. Liten 2008 - 624s.
  2. ↑ Kontaktpotentialskillnad - bse.sci-lib.com/article064081.html
  3. ↑ Schottky-effekten  // Wikipedia. — 2020-12-24.
  4. ↑ Metod för kontaktpotentialskillnad .

Länkar