Unterschied im Kontaktpotential

Wenn zwei Proben aus zwei unterschiedlichen Metallen fest zusammengepresst werden, entsteht zwischen ihnen eine Kontaktpotentialdifferenz. Der italienische Physiker, Chemiker und Physiologe Alessandro Volta entdeckte dieses Phänomen im Jahr 1797, als er die elektrischen Eigenschaften von Metallen untersuchte.

Dann fand Volta heraus, dass, wenn man die Metalle in einer Kette in dieser Reihenfolge verbindet: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, jedes nachfolgende Metall in der resultierenden Kette die entsprechenden Werte annimmt ein Potenzial von - niedriger als das vorherige. Darüber hinaus fand der Wissenschaftler heraus, dass mehrere auf diese Weise kombinierte Metalle die gleiche Potentialdifferenz zwischen den Enden des gebildeten Stromkreises ergeben, unabhängig von der Reihenfolge der Anordnung dieser Metalle in diesem Stromkreis – diese Position ist heute als Voltas Gesetz der Reihenkontakte bekannt .

Dabei ist es äußerst wichtig zu verstehen, dass es für die exakte Umsetzung des Gesetzes der Kontaktfolge notwendig ist, dass der gesamte Metallkreis die gleiche Temperatur hat.

Wenn dieser Stromkreis nun von den Enden her geschlossen ist, folgt aus dem Gesetz, dass die EMK im Stromkreis Null ist.Allerdings nur, wenn alle diese (Metall 1, Metall 2, Metall 3) die gleiche Temperatur haben, sonst wäre das Grundgesetz der Natur – der Energieerhaltungssatz – verletzt.

Für verschiedene Metallpaare ist die Kontaktpotentialdifferenz unterschiedlich und reicht von Zehntel und Hundertstel Volt bis zu einigen Volt.

Um den Grund für das Auftreten der Kontaktpotentialdifferenz zu verstehen, ist es zweckmäßig, das Modell der freien Elektronen zu verwenden.

Befinden sich beide Metalle des Paares auf dem absoluten Nullpunkt, dann sind alle Energieniveaus, einschließlich der Fermi-Grenze, mit Elektronen gefüllt. Der Wert der Fermi-Energie (Grenzwert) hängt wie folgt von der Konzentration der Leitungselektronen im Metall ab:

m ist die Ruhemasse des Elektrons, h ist das Plancksche Wirkungsquantum, n ist die Konzentration der Leitungselektronen

Unter Berücksichtigung dieses Verhältnisses bringen wir zwei Metalle mit unterschiedlichen Fermi-Energien und damit unterschiedlichen Konzentrationen an Leitungselektronen in engen Kontakt.

Nehmen wir für unser Beispiel an, dass das zweite Metall eine hohe Konzentration an Leitungselektronen aufweist und dementsprechend das Fermi-Niveau des zweiten Metalls höher ist als das des ersten.

Wenn die Metalle dann miteinander in Kontakt kommen, beginnt eine Diffusion (Durchdringung von einem Metall zum anderen) von Elektronen von Metall 2 zu Metall 1, da Metall 2 gefüllte Energieniveaus aufweist, die über dem Fermi-Niveau des ersten Metalls liegen , was bedeutet, dass Elektronen aus diesen Ebenen Metall-1-Leerstellen füllen.

Die umgekehrte Bewegung der Elektronen ist in einer solchen Situation energetisch unmöglich, da im zweiten Metall alle niedrigeren Energieniveaus bereits vollständig gefüllt sind.Schließlich wird Metall 2 positiv und Metall 1 negativ geladen, während das Fermi-Niveau des ersten Metalls höher wird als zuvor und das des zweiten Metalls sinkt. Diese Änderung wird wie folgt aussehen:

Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den sich berührenden Metallen und dem entsprechenden elektrischen Feld, die nun eine weitere Diffusion von Elektronen verhindert.

Sein Prozess wird vollständig gestoppt, wenn die Potentialdifferenz einen bestimmten Wert erreicht, der der Gleichheit der Fermi-Niveaus der beiden Metalle entspricht, bei dem es in Metall 1 keine freien Niveaus für die neu angekommenen Elektronen von Metall 2 und in Metall 2 gibt Auf der Möglichkeit der Elektronenwanderung von Metall 1 werden keine Stufen freigesetzt. Die Energiebilanz ergibt sich:

Da die Ladung des Elektrons negativ ist, ergibt sich folgende Lage relativ zu den Potentialen:

Obwohl wir ursprünglich davon ausgegangen sind, dass die Temperatur der Metalle den absoluten Nullpunkt erreicht, stellt sich in ähnlicher Weise bei jeder Temperatur ein Gleichgewicht ein.

Die Fermi-Energie in Gegenwart eines elektrischen Feldes ist nichts anderes als das chemische Potential eines einzelnen Elektrons in einem Elektronengas, bezogen auf die Ladung dieses einzelnen Elektrons, und da unter Gleichgewichtsbedingungen die chemischen Potentiale der Elektronengase beider Metalle gleich sein wird, muss lediglich die Abhängigkeit des chemischen Potentials von der Temperatur in die Betrachtung einbezogen werden.

Daher wird die von uns betrachtete Potenzialdifferenz als interne Kontaktpotenzialdifferenz bezeichnet und entspricht dem Volta-Gesetz für Reihenkontakte.

Lassen Sie uns diese Potentialdifferenz abschätzen, dazu drücken wir die Fermi-Energie durch die Konzentration der Leitungselektronen aus und ersetzen dann die numerischen Werte der Konstanten:

Basierend auf dem Modell der freien Elektronen liegt die interne Kontaktpotentialdifferenz für Metalle in der Größenordnung von Hundertstel Volt bis mehreren Volt.