接触電位の違い

2 つの異なる金属で作られた 2 つのサンプルをしっかりと押し付けると、それらの間に接触電位差が発生します。イタリアの物理学者、化学者、生理学者のアレッサンドロ ボルタは、1797 年に金属の電気的特性を研究中にこの現象を発見しました。

そこで Volta は、金属を Al、Zn、Sn、Pb、Bi、Hg、Fe、Cu、Ag、Au、Pt、Pd の順序でチェーンに接続すると、結果として生じるチェーン内の後続の各金属が変化することを発見しました。以前よりも低い可能性があります。さらに、科学者は、このように組み合わされたいくつかの金属が、回路内のこれらの金属の配置順序に関係なく、形成された回路の両端間に同じ電位差を与えることを発見しました。この位置は現在、ボルタの直列接点の法則として知られています。 。

ここで、接触シーケンスの法則を正確に実行するには、金属回路全体が同じ温度である必要があることを理解することが非常に重要です。

この回路が両端から閉じている場合、法則から回路内の EMF はゼロになります。ただし、これらすべて (金属 1、金属 2、金属 3) が同じ温度にある場合に限ります。そうでない場合は、自然の基本法則、つまりエネルギー保存の法則が破られてしまいます。

金属のペアが異なると、接触電位差は独自のものになり、その範囲は 10 分の 1 ボルトから 100 分の 1 ボルトから数ボルトの範囲になります。

接触電位差が現れる理由を理解するには、自由電子モデルを使用すると便利です。

ペアの両方の金属を絶対温度ゼロにすると、フェルミ限界を含むすべてのエネルギー準位が電子で満たされます。フェルミ エネルギー (限界) の値は、次のように金属内の伝導電子の濃度に関係します。

m は電子の静止質量、h はプランク定数、n は伝導電子の濃度

この比率を考慮して、異なるフェルミエネルギー、つまり異なる伝導電子濃度を持つ 2 つの金属を密接に接触させます。

この例では、2 番目の金属の伝導電子濃度が高く、したがって 2 番目の金属のフェルミ準位が 1 番目の金属のフェルミ準位よりも高いと仮定します。

次に、金属が互いに接触すると、金属 2 は最初の金属のフェルミ準位を超えるエネルギー準位を満たしているため、電子の拡散 (ある金属から別の金属への浸透) が金属 2 から金属 1 に始まります。これは、これらの準位からの電子が金属 1 の空孔を埋めることを意味します。

このような状況での電子の逆の動きはエネルギー的に不可能です。なぜなら、第 2 の金属では、より低いエネルギー準位がすべてすでに完全に満たされているからです。最終的に、金属 2 は正に帯電し、金属 1 は負に帯電しますが、最初の金属のフェルミ準位は以前よりも高くなり、2 番目の金属のフェルミ準位は減少します。今回の変更は以下の通りとなります。

その結果、接触している金属とそれに対応する電場の間に電位差が生じ、電子のさらなる拡散が妨げられます。

電位差が 2 つの金属のフェルミ準位の等しい値に対応する特定の値に達すると、そのプロセスは完全に停止します。この値では、金属 2 から新たに到着した電子に対する金属 1 の自由準位と金属 2 の自由準位は存在しません。金属 1 からの電子移動の可能性に関しては、どの準位も解放されません。エネルギー バランスは次のようになります。

電子の電荷は負であるため、ポテンシャルに関して次の位置になります。

私たちは当初、金属の温度を絶対零度と仮定していましたが、同様に、どの温度でも平衡が生じます。

電場の存在下でのフェルミエネルギーは、電子ガス中の単一電子の電荷を基準とした電子ガス内の単一電子の化学ポテンシャルに他なりません。平衡状態では、両方の金属の電子ガスの化学ポテンシャルは次のようになります。が等しい場合、化学ポテンシャルの温度依存性を考慮に加えるだけで済みます。

したがって、私たちが考慮する電位差は内部接点電位差と呼ばれ、直列接点のボルタの法則に対応します。

この電位差を推定してみましょう。このためにフェルミ エネルギーを伝導電子の濃度で表し、定数の数値を代入します。

したがって、自由電子モデルに基づくと、金属の内部接触電位差は、100 分の 1 ボルトから数ボルト程度の大きさになります。