Kontakt potentialforskel

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. marts 2017; checks kræver 24 redigeringer .

Kontaktpotentialforskel (i engelsk litteratur - Volta potential ) er den potentialforskel , der opstår, når to forskellige faste ledere kommer i kontakt med samme temperatur . Der er interne og eksterne potentialforskelle afhængigt af, om potentialerne af ækvipotentialvolumenet af de kontaktende ledere eller potentialerne nær deres overflade tages i betragtning [1] .

Kontaktpotentialforskellen kan ikke måles direkte med et voltmeter , men den kan ses på kontaktens strømspændingskarakteristika . Et eksempel på en enhed, hvor en ekstern kontaktpotentialforskel mellem to metaller påvirker I–V-karakteristikken, er en rørdiode . Den interne kontaktpotentialeforskel ligger til grund for driften af ​​sådanne halvlederenheder som en pn -forbindelsesdiode , en metal-halvlederdiode , en transistor og en række andre.

Beskrivelse

Når to ledere med forskellige arbejdsfunktioner kommer i kontakt, opstår der elektriske ladninger i nærkontaktområdet. Og mellem deres frie ender er der en potentiel forskel . Værdien af ​​den eksterne kontaktpotentialeforskel er lig med forskellen i arbejdsfunktionerne pr. elektronladning. Hvis lederne er forbundet i en ring, så vil EMF i ringen være lig med 0. For forskellige par metaller varierer værdien af ​​kontaktpotentialforskellen fra tiendedele af en volt til nogle få volt [2] .

Forklaring

For at forklare den interne kontaktpotentialeforskel i metaller tyer man til modellen for frie elektroner og til båndteorien . Overvej et energidiagram, der viser den samlede energi af en elektron. Den samlede energi af en elektron er lig med summen af ​​potentiel energi i elektriske felter og kinetisk energi. Nul total energi på energidiagrammet svarer til en stationær elektron langt fra metallet (dette er det såkaldte vakuumenerginiveau). For en elektron inde i et metal vil den samlede energi være negativ; elektronen er i en potentialbrønd.

Overvej først energistrukturen af ​​et isoleret metal. Lad os antage, at metallets temperatur er 0 K. Metallets energistruktur er i det simpleste tilfælde bestemt af to størrelser: arbejdsfunktionen (dvs. afstanden fra Fermi-niveauet til vakuumniveauet) og graden af fyldning af det øvre bånd med elektroner ( Fermi-energi ). Alle energiniveauer fra begyndelsen af ​​energibåndet op til Fermi-niveauet vil være fyldt med elektroner. Den maksimale kinetiske energi af en elektron, i overensstemmelse med båndteorien for metaller, er lig med Fermi-energien. Placeringen af ​​Fermi-niveauet på skalaen af ​​totale energier på grund af Pauli-princippet vil være værdien af ​​det kemiske potentiale af et givet system af elektroner.

At bringe metaller i kontakt bringer systemet ud af balance (da de to metallers kemiske potentialer ikke er sammenfaldende), diffusion af elektroner sker i retning af at mindske deres energi, hvilket fører til en ændring i ladningen og det elektriske potentiale af metallerne. I nærkontaktområdet begynder væksten af ​​det elektriske felt. Udseendet af et elektrisk felt flytter alle energiniveauerne af elektronerne i disse metaller, og Fermi-niveauet vil bevæge sig efter dem. Når positionerne af Fermi-niveauet (kemisk potentiale) af begge metaller på energiskalaen bliver ens, vil ladningen i nærkontaktområdet ophøre med at ændre sig, og diffusionsdrift-ligevægt vil komme. Det skal understreges, at elektrondiffusion praktisk talt ikke ændrer hverken elektronkoncentrationen eller værdien af ​​Fermi-energien for hvert metal. Forskellen i positionerne af de nedre kanter af energibåndet i det første og andet metal, refereret til elektronens ladning, vil blive kaldt den indre kontaktpotentialeforskel.

Voltas oplevelse

Volta beviste eksistensen af ​​en potentialforskel ved følgende eksperiment. To skiver af forskellige materialer (zink og kobber) placeres på elektroskopets stang , dækket med et tyndt lag dielektrisk og bragt i kontakt. I kort tid lukkes skiverne med kobbertråd. I dette tilfælde opstår der en kontaktpotentialforskel mellem dem, og zink lades positivt, og kobber er negativt ladet. I dette tilfælde observeres en lille uoverensstemmelse mellem elektroskopets blade. For at øge aflæsningerne af elektroskopet fjernes kobbertråden, og skiverne flyttes fra hinanden. Da ladningen af ​​kondensatoren dannet af to diske ikke ændres, og kapacitansen falder, stiger spændingen over kondensatoren. I dette tilfælde divergerer elektroskopets blade til en større afstand.


Måling af kontaktpotentialeforskel

Værdien af ​​kontaktpotentialeforskellen afhænger af metallernes kemiske natur, deres temperatur og afhænger ikke af den geometriske form og kontaktareal. Tegnet og størrelsen af ​​kontaktpotentialforskellen kan bestemmes direkte ud fra graferne konstrueret i overensstemmelse med formlen :. Afhængigheden finder kun sted ved negative potentialforskelle mellem anode og katode (under hensyntagen til kontaktpotentialforskellen). Ved positive potentialforskelle bremses stigningen i strømstyrken, og hvis mætningsstrømmen nås, stopper den (hvis vi negligerer Schottky-effekten [3] ). Derfor opstår der et brud i den lige linje ved , og den negative spænding mellem anoden og katoden skal tælles fra dette punkt. Kontaktpotentialforskellen mellem anoden og katoden bestemmes ved at ekstrapolere begge dele af grafen med lige linjer, indtil de skærer hinanden. I henhold til graflinjens form kan man således bestemme kontaktpotentialforskellen og spore, hvordan den afhænger af katodetemperaturen.

I praksis implementeres målingen af ​​kontaktpotentialforskellen i den ikke-destruktive testmetode af samme navn, der anvendes i videnskab og teknologi [4] .

Noter.

  1. ↑ S. G. Kalashnikov - Elektricitet. M: Fysisk. Måtte. Oplyst 2008 - 624s.
  2. ↑ Kontakt potentialforskel - bse.sci-lib.com/article064081.html
  3. ↑ Schottky-effekten  // Wikipedia. — 24-12-2020.
  4. ↑ Metode til kontakt potentialforskel .

Links