Diferencia en el potencial de contacto
Si dos muestras hechas de dos metales diferentes se presionan fuertemente, se producirá una diferencia de potencial de contacto entre ellas. El físico, químico y fisiólogo italiano Alessandro Volta descubrió este fenómeno en 1797 mientras estudiaba las propiedades eléctricas de los metales.
Luego, Volta descubrió que si conecta los metales en una cadena en este orden: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, entonces cada metal subsiguiente en la cadena resultante adquirirá un potencial de - inferior al anterior. Además, el científico descubrió que varios metales combinados de esta manera darán la misma diferencia de potencial entre los extremos del circuito formado, independientemente de la secuencia de disposición de estos metales en este circuito; esta posición ahora se conoce como la ley de Volta de los contactos en serie. .
Aquí es extremadamente importante entender que para la implementación exacta de la ley de secuencia de contacto, es necesario que todo el circuito metálico esté a la misma temperatura.
Si este circuito ahora está cerrado desde los extremos sobre sí mismo, entonces se deduce de la ley que la FEM en el circuito será cero.Pero solo si todos estos (metal 1, metal 2, metal 3) están a la misma temperatura, de lo contrario se violaría la ley básica de la naturaleza, la ley de conservación de la energía.
Para diferentes pares de metales, la diferencia de potencial de contacto será la misma, variando desde décimas y centésimas de voltio hasta unos pocos voltios.
Para comprender el motivo de la aparición de la diferencia de potencial de contacto, es conveniente utilizar el modelo de electrones libres.
Deje que ambos metales del par estén a temperatura cero absoluta, entonces todos los niveles de energía, incluido el límite de Fermi, estarán llenos de electrones. El valor de la energía de Fermi (límite) está relacionado con la concentración de electrones de conducción en el metal de la siguiente manera:
m es la masa en reposo del electrón, h es la constante de Planck, n es la concentración de electrones de conducción
Teniendo en cuenta esta relación, ponemos en estrecho contacto dos metales con diferentes energías de Fermi y por lo tanto con diferentes concentraciones de electrones de conducción.
Supongamos para nuestro ejemplo que el segundo metal tiene una alta concentración de electrones de conducción y, en consecuencia, el nivel de Fermi del segundo metal es más alto que el del primero.
Entonces, cuando los metales entren en contacto entre sí, comenzará una difusión (penetración de un metal a otro) de electrones del metal 2 al metal 1, porque el metal 2 ha llenado niveles de energía que están por encima del nivel de Fermi del primer metal. , lo que significa que los electrones de estos niveles llenarán las vacantes del metal 1.
El movimiento inverso de los electrones en tal situación es energéticamente imposible, ya que en el segundo metal todos los niveles de energía inferiores ya están completamente llenos.Eventualmente, el metal 2 se cargará positivamente y el metal 1 se cargará negativamente, mientras que el nivel de Fermi del primer metal será más alto de lo que era y el del segundo metal disminuirá. Este cambio será el siguiente:
Como resultado, surgirá una diferencia de potencial entre los metales en contacto y el campo eléctrico correspondiente, que ahora evitará una mayor difusión de electrones.
Su proceso se detendrá por completo cuando la diferencia de potencial alcance un cierto valor correspondiente a la igualdad de los niveles de Fermi de los dos metales, en el cual no habrá niveles libres en el metal 1 para los electrones recién llegados del metal 2, y en el metal 2 no se liberarán niveles sobre la posibilidad de migración de electrones del metal 1. El balance de energía vendrá:
Como la carga del electrón es negativa, tendremos la siguiente posición con respecto a los potenciales:
Aunque originalmente supusimos que la temperatura de los metales era el cero absoluto, de manera similar se producirá el equilibrio a cualquier temperatura.
La energía de Fermi en presencia de un campo eléctrico no será más que el potencial químico de un solo electrón en un electrón gaseoso referido a la carga de ese solo electrón, y dado que en condiciones de equilibrio los potenciales químicos de los electrones gaseosos de ambos metales será igual, sólo hay que añadir a la consideración la dependencia del potencial químico con la temperatura.
Entonces, la diferencia de potencial considerada por nosotros se llama diferencia de potencial de contacto interno y corresponde a la ley de Volta para contactos en serie.
Estimemos esta diferencia de potencial, para ello expresamos la energía de Fermi en función de la concentración de electrones de conducción, luego sustituimos los valores numéricos de las constantes:
Por lo tanto, según el modelo de electrones libres, la diferencia de potencial de contacto interno para los metales es del orden de magnitud de centésimas de voltio a varios voltios.