Что такое контактная разность потенциалов и от чего она зависит

Между двумя разными металлами при тесном соприкосновении возникает явление, получившее название контактная разность потенциалов. Данное явление связано с особенностями строения вещества. Далее рассмотрим и узнаем о механизме его работы.

История изучения

Контактную разность потенциалов обнаружил и исследовал итальянский физик Алессандро Вольта в 1797 году. Он проводил опыты, соединяя диски из различных металлов стопкой в строго определённом порядке и измеряя возникающее между ними напряжение. Например, в одном из опытов он соединил плоскими сторонами диски из следующих материалов в указанном порядке: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd. В этом ряду у каждого последующего металла потенциал был ниже, чем у предыдущего. Ученый обобщил результаты своих опытов и сформулировал законы, названные его именем.

Электроны в твёрдом теле

Любое твёрдое тело состоит из атомов. В каждом из них вокруг ядра вращаются электроны. Иногда они покидают атом и двигаются случайным образом вне его. После того как атом теряет электрон, он становится ионом, приобретая положительный заряд. В результате ион начинает притягивать электроны, которые возвращаются на свои орбиты.

Эти процессы происходят не только внутри твёрдого тела, но и в некоторых случаях за его пределами. Следовательно, можно представить, что очень близко от его границ существует электронное облако. Одни частицы пополняют его, другие — возвращаются внутрь тела.

Если твёрдые тела соприкоснутся, то электронные облака у их поверхностей перемешаются. В этом случае часть электронов будет покидать то или другое тело, а некоторые из них переместятся внутрь одного из них. Однако этот процесс не будет проходить одинаково в обоих случаях.

Контакт поверхностей

Чтобы электрон вышел за пределы твёрдого тела, он должен выполнить определённую работу. Важно отметить, что в различных случаях её величина может отличаться. В том теле, для выхода из которого электрону придется проделать большую работу, количество заряженных частиц будет выше. Эта неравномерность приведёт к тому, что на границе соприкосновения образуется контактная разность электрических потенциалов. Одно из тел станет заряженным положительно, а другое — отрицательно.

Ещё один фактор, который влияет на неравномерность распределения, это плотность облака электронов. Частицы из более плотного постепенно диффузируют в относительно разряженное состояние.

Если неравномерность распределения частиц усиливается, возникающее электрическое поле увеличивается. Оно стабилизируется лишь в том случае, когда начнет препятствовать увеличению заряда. Следовательно, можно сказать, что контактная разность электрических потенциалов — это результат работы, проделанной электронами.

Величина потенциалов не зависит от площади соприкосновения или геометрической формы тел. Существенную роль играет химический состав металла и его температура. При её росте увеличивается концентрация собственных носителей заряда, что приводит к уменьшению контактной разности потенциалов.

Чтобы покинуть атом, электрон должен выполнить определённую работу. Допустим, эта величина равна A для одного материала и B для другого. Для определённости предположим, что A > B. В таком случае поверхность первого проводника постепенно заряжается положительно, а второго — отрицательно.

При этом разность потенциалов U между ними будет расти. Однако по мере ее увеличения будет наблюдаться и больше переходов электронов между материалами. Когда разность потенциалов достигнет предельной величины, переход электронов в обе стороны станет равновероятным. Величину контактной разности потенциалов можно найти по формуле:

Величину U в рассматриваемом случае называют внешней контактной разностью потенциалов. На практике она в большинстве случаев колеблется от десятых долей до нескольких вольт. Речь идёт о разности потенциалов между точками, которые находятся очень близко к поверхности, но при этом вне её. Если рассматривать аналогичную величину между точками рядом с границей поверхности, но за ней для каждого материала, то речь будет идти о внутренней контактной разности потенциалов.

С одной контактирующей поверхности на другую может перейти не более двух процентов свободных электронов. Из-за этого контактное электрополе локализуется исключительно в зоне соприкосновения и практически не захватывает внутренние области контактирующих тел.

Видео по теме