КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ

Если поверхность одного металла (1) привести соприкосновение (контакт) с поверхностью другого металла (2), то происходит переход электронов из одного металла в другой, вследствие чего один из них заряжается положительно, другой — отрицательно. Возникающая при этом разность потенциалов между соприкасающимися телами называется контактной разностью потенциалов.

Появление контактной разности потенциалов обусловлено двумя причинами:

1) различием в работах выхода электрона из металлов, приведенных в соприкосновение. В этом случае силы, действующие на электроны в пограничной области со стороны ионных каркасов обоих Металлов (направленные в противоположные стороны), не уравновешены и поэтому вызывают переход электронов из одного металла в другой;

2) различием в плотностях электронного газа в металлах, вследствие чего возникает диффузный переход электронов из металла, где плотность этого газа большая, в металл, где эта плотность меньше.

Рассмотрим действие каждой из этих причин в отдельности. На электрон, оказавшийся в пограничной области (между ионными решетками обоих металлов), действуют электрические поля созданные поверхностными слоями каждого из металлов (рис. III.35) и направленные в противоположные стороны. Сумма векторов лишь в частном случае может оказаться равной нулю в какой-нибудь точке пограничного слоя. При сложной зависимости этих векторов от расстояния (см. рис. 111.34) их сумма на всем протяжении пограничного слоя будет отлична от нуля и поэтому на электрон, оказавшийся в этой области, действует некоторая результирующая сила, направленная в сторону одного из металлов.

Рис. III.35

На рис. III.35 показаны ионные решетки двух металлов 1 и 2 с различными объемными плотностями ионов. Очевидно, на электроны, оказавшиеся в пограничной области, со стороны металла 1 действуют меньшие силы, чем со стороны металла 2, имеющего более плотную ионную решетку; работа выхода электрона из металла будет Меньше, чем из металла Если то вследствие теплового движения оба металла посылают в пограничный слой (в единицу времени с единицы поверхности) одинаковое число электронов Из этих электронов большая часть Втягивается в металл 2. Таким образом, из пограничного слоя металл 1 получает меньше электронов, чем посылает сам, а металл 2 — больше; первый заряжается положительно, второй — отрицательно. Это вызовет появление в пограничной области внешнего электрического поля направленного от положительно заряженного металла к отрицательно заряженному; оно будет

препятствовать указанному выше переходу электронов от одного металла к другому. Следовательно, со временем должно наступить равновесное состояние, при котором числа электронов, проходящие через пограничную область в противоположных направлениях, сделаются равными. Очевидно, в этом состоянии на электроны в пограничной области не должны действовать односторонне направленные силы, т. е. сумма всех векторов и должна быть равна нулю: Так как имеют различные направления, то

Умножим это равенство на элементарное перемещение электрона и проинтегрируем вдоль какого-нибудь пути перехода от одного металла к другому. Интеграл будет равен разности потенциалов обоих металлов; это есть, очевидно, контактная разность потенциалов; она обусловлена разностью работ выхода, поэтому ее обозначим через Интегралы будут, согласно формуле (2.32), равны отношениям соответствующих работ выхода к заряду электрона. Следовательно,

знак «минус» учитывает направление векторов напряженности.

Рассмотрим теперь контактную разность потенциалов, которая вызывается различием плотностей электронного газа в металлах. Допустим, что у соприкасающихся металлов работы выхода равны но числа свободных электронов в единице объема отличаются Для упрощения рассуждений предположим, что в любой точке пограничной области электрические поля созданные поверхностными слоями металлов, взаимно уравновешиваются, везде и поэтому электроны могут свободно переходить из одного металла в другой. При каждый из металлов будет ежесекундно посылать в пограничную область различные количества электронов Так как в этой области односторонне действующих сил пока нет, то из электронов, ежесекундно поступающих в эту область, половина будет втянута в один металл, а другая половина — во второй металл. Таким образом, из первого металла ежесекундно выходят электронов, а поступают электронов; разница между этими числами вызовет недостаток или избыток электронов в данном металле, т. е. положительную или отрицательную зарядку его. Второй металл приобретает противоположный заряд. Вследствие этого появится электрическое поле направленное от положительно заряженного металла к отрицательному, которое со временем приостановит диффузию электронов из одного металла в другой.

Таким образом, при в пограничной области между металлами возникает контактное электрическое поле которое

препятствует выравниванию плотностей электронного газа в металлах. Внутри этой области плотность электронного газа должна изменяться от в одном металле, до в другом. По аналогии с изменением плотности газа в поле тяготения Земли (см. барометрическую формулу) можно написать

где (которая в барометрической формуле равняется работе подъема одной молекулы газа на высоту в данном случае есть работа переноса электрона через пограничную область, т. е. равна где потенциалы металлов после наступления равновесного состояния. Тогда

(k - постоянная Больцмана, абсолютная температура металлов).

Если существуют обе причины, вызывающие контактную разность потенциалов, то

Электрическое поле которое создается между металлами вследствие скопления в них избыточных зарядов, будет складываться с внутренними электрическими полями которые существуют в поверхностном слое каждого металла. Однако в равновесном состоянии сумма не должна равняться нулю, так как при соблюдении этого равенства возможен односторонний переход электронов из металла, где плотность электронного газа велика, в металл, где эта плотность мала. Поэтому равновесие может наступить тогда, когда сумма векторов дает некоторую результирующую достаточную для приостановки диффузии электронов вследствие Таким образом, в пограничной области между металлами при равновесии существует только контактное электрическое поле обусловленное вторым членом формулы (2.33); разность потенциалов, соответствующая этому полю,

Измерения показывают, что для чистых металлов контактные разности потенциалов имеют значения от десятков долей до нескольких вольт, причем значительная часть этой разности потенциалов обусловлена разностью работ выхода.

Контактная разность потенциалов может быть получена при соприкосновении не только химически различных проводников, но и между одинаковыми проводниками; для этого необходимо только, чтобы они отличались по какому-нибудь признаку, от которого зависят работы выхода или плотности свободных электронов. Например, разность потенциалов наблюдается при соприкосновении одинаковых

проводников, если они различным образом деформированы (сжаты или растянуты), имеют примеси в различных концентрациях и т. п., а также в том случае, если вдоль данного проводника имеется разность температур.