Différence de potentiel de contact

Si deux échantillons constitués de deux métaux différents sont étroitement pressés l'un contre l'autre, une différence de potentiel de contact se produira entre eux. Le physicien, chimiste et physiologiste italien Alessandro Volta a découvert ce phénomène en 1797 alors qu'il étudiait les propriétés électriques des métaux.

Ensuite, Volta a découvert que si vous connectez les métaux dans une chaîne dans cet ordre : Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, alors chaque métal suivant dans la chaîne résultante acquerra un potentiel de - inférieur au précédent. De plus, le scientifique a découvert que plusieurs métaux combinés de cette manière donneront la même différence de potentiel entre les extrémités du circuit formé, quelle que soit la séquence d'arrangement de ces métaux dans ce circuit - cette position est maintenant connue sous le nom de loi de Volta des contacts en série. .

Ici, il est extrêmement important de comprendre que pour la mise en œuvre exacte de la loi de séquence de contacts, il est nécessaire que tout le circuit métallique soit à la même température.

Si ce circuit est maintenant fermé des extrémités sur lui-même, il découle de la loi que la FEM dans le circuit sera nulle.Mais seulement si tous ces éléments (métal 1, métal 2, métal 3) sont à la même température, sinon la loi fondamentale de la nature - la loi de conservation de l'énergie - serait violée.

Pour différentes paires de métaux, la différence de potentiel de contact sera la sienne, allant de dixièmes et centièmes de volt à quelques volts.

Pour comprendre la raison de l'apparition de la différence de potentiel de contact, il convient d'utiliser le modèle d'électrons libres.

Que les deux métaux de la paire soient à une température nulle absolue, alors tous les niveaux d'énergie, y compris la limite de Fermi, seront remplis d'électrons. La valeur de l'énergie de Fermi (limite) est liée à la concentration d'électrons de conduction dans le métal comme suit :

m est la masse au repos de l'électron, h est la constante de Planck, n est la concentration d'électrons de conduction

Compte tenu de ce rapport, on met en contact étroit deux métaux d'énergies de Fermi différentes et donc de concentrations différentes en électrons de conduction.

Supposons pour notre exemple que le second métal a une concentration élevée d'électrons de conduction et que, par conséquent, le niveau de Fermi du second métal est supérieur à celui du premier.

Ensuite, lorsque les métaux entrent en contact les uns avec les autres, une diffusion (pénétration d'un métal à l'autre) des électrons va commencer du métal 2 vers le métal 1, car le métal 2 a rempli des niveaux d'énergie qui sont au-dessus du niveau de Fermi du premier métal , ce qui signifie que les électrons de ces niveaux combleront les lacunes du métal 1.

Le mouvement inverse des électrons dans une telle situation est énergétiquement impossible, car dans le second métal, tous les niveaux d'énergie inférieurs sont déjà complètement remplis.Finalement, le métal 2 deviendra chargé positivement et le métal 1 chargé négativement, tandis que le niveau de Fermi du premier métal deviendra plus élevé qu'il ne l'était, et celui du second métal diminuera. Ce changement sera le suivant :

En conséquence, une différence de potentiel apparaîtra entre les métaux en contact et le champ électrique correspondant, ce qui empêchera désormais une diffusion supplémentaire des électrons.

Son processus s'arrêtera complètement lorsque la différence de potentiel atteindra une certaine valeur correspondant à l'égalité des niveaux de Fermi des deux métaux, à laquelle il n'y aura plus de niveaux libres dans le métal 1 pour les électrons nouvellement arrivés du métal 2, et dans le métal 2 aucun niveau ne sera libéré sur la possibilité de migration d'électrons du métal 1. Le bilan énergétique viendra :

La charge de l'électron étant négative, nous aurons la position suivante par rapport aux potentiels :

Bien que nous ayons supposé à l'origine que la température des métaux était le zéro absolu, de la même manière, l'équilibre se produira à n'importe quelle température.

L'énergie de Fermi en présence d'un champ électrique ne sera rien de plus que le potentiel chimique d'un seul électron dans un gaz d'électrons rapporté à la charge de cet électron unique, et puisque dans des conditions d'équilibre, les potentiels chimiques des gaz d'électrons des deux métaux sera égal , il suffit d'ajouter à la considération la dépendance du potentiel chimique à la température.

Ainsi, la différence de potentiel considérée par nous s'appelle la différence de potentiel de contact interne et correspond à la loi de Volta pour les contacts en série.

Estimons cette différence de potentiel, pour cela nous exprimons l'énergie de Fermi en termes de concentration d'électrons de conduction, puis substituons les valeurs numériques des constantes :

Ainsi, sur la base du modèle d'électrons libres, la différence de potentiel de contact interne pour les métaux est de l'ordre de grandeur de centièmes de volt à plusieurs volts.