Контактная разность потенциалов.

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разность потенциалов. Итальянский физик А.Вольта(1745-1827) установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от нескольких десятых до целых вольт.

Вольта экспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Объяснение этих законов можно дать на основе классической электронной теории металлов. Приведем в соприкосновение два различных металла 1 и 2 с работами выхода A₁, и A₂, причем A₂ > A₁. Электроны, оказавшиеся у поверхности раздела металлов, совершая тепловое движение, легче переходят из металла, для которого работа выхода меньше, в металл, для которого работа выхода больше. В рассматриваемом случае электроны будут переходить из металла 1 (и он заряжается положительно) в металл 2 (заряжается отрицательно) до тех пор, пока работа по перемещению электрона за счет контактной разности потенциалов не станет равной разности работ выхода:

или

. (1)

Различие в работах выхода - не един­ственная причина появления контактной разности потенциалов. Выражение (1) получено при условии, что концентра­ция свободных электронов в металлах одинакова. Предположим, что n₁ и п₂ — соответственно концентрации электронов в металлах 1 и 2, причем n₁ > п₂. При этих условиях начнется преимущественный пе­ренос электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, а второй - отри­цательно. Между металлами возникнет разность потенциалов , которая, согласно теоретическим расчетам, равна

(2)

Как правило, .

Обе причины возникновения контакт­ной разности потенциалов (различие в работах выхода и концентраций свобод­ных электронов) могут действовать как в одном и том же направлении, так и в противоположных (в разобранных нами случаях имеет гот же знак, что и ). Контактная разность потен­циалов, обусловленная обеими причина­ми, согласно (1) и (2), равна

(3)

Уравнение (3) - математическое вы­ражение первого закона Вольта; оно по­казывает. что зависит только от температуры и химическою состава со­прикасающихся проводников ( Т, А₁, А₂, n ₁, и n ₂).

Для доказательства второю закона Вольта приведем в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих оди­наковую температуру (рис. 1).

 

Рис.1

Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах:

Пользуясь формулой (3), получим

т. е. действительно не зависит от природы промежуточных проводников.

Если из рассмотренных металлов со­ставить замкнутую цепь (рис. 1, пунк­тирная линия), то приложенная электро­движущая сила равна алгебраической сумме всех скачков потенциалов, встречающихся при обходе замкнутой цепи:

Используя формулу (3), получим

Таким образом, при образовании замкну­той цепи из нескольких металлических проводников с одинаковой температурой спаев невозможно возникновение электро­движущей силы за счет только контакт­ных скачков потенциала.