8.3. Контакт двух металлов. Внешняя и внутренняя разности потенциалов.

Р азместим на некотором расстоянии в вакууме два металла 1 и 2, у которых отличаются работы выхода электронов и энергии Ферми (рис. 8.6, а).

Если металлы привести в соприкосновение (рис. 8.6, б), то в окружающем их пространстве появится электрическое поле, обусловленное внешней разностью потенциалов U₁₂ между точками, лежащими вне металлов в непосредственной близости к их поверхностям.

Возникновение разности потенциалов U₁₂ обусловлено следующими процессами в контакте. При отличной от нуля температуре в каждом металле имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для выхода из металла. При возникновении контакта, так как , более интенсивными будет переход электронов из металла 1 в металл 2. Поверхность металла 1 будет заряжаться положительным зарядом, а на поверхности металла 2 образуется нескомпенсированный отрицательный заряд.

В результате потенциал первого металла возрастает, а второго – уменьшится. Соответственно потенциальная энергия электрона в первом металле уменьшится, а во втором увеличится рис. 8.6, б.

Электрическое поле возникшего на границе металлов двойного электрического слоя будет препятствовать дальнейшему преимущественному переходу электронов из металла 1 в металл 2 и встречные потоки электронов уравняются.

В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися твердыми телами является равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми. При таком условии уровни Ферми обоих металлов располагаются на энергетической диаграмме на одинаковой высоте (рис. 8.6, б). В этом случае потенциальная энергия электрона в непосредственной близости к поверхности первого металла будет на меньше, чем вблизи поверхности второго металла.

Следовательно, внешняя контактная разность потенциалов определяется выражением

^. (8.4)

Между внутренними точками металлов также имеется контактная разность

потенциалов, которую называют внутренней. На рис. 8.6, б видно, что потенциальная энергия электрона в первом металле меньше, чем во втором, на . Следовательно, внутренняя разность потенциалов определяется выражением:

^. (8.5)

На такую величину убывает потенциал при переходе из первого металла во второй.

Н а рис. 8.7 показано изменение потенциальной энергии электрона вдоль трех соприкасающихся друг с другом металлов 1, 2, 3. В этом случае внешняя разность потенциалов между металлами 1 и 3 оказывается точно такой же, как при их непосредственном соприкосновении. Точно такой же результат справедлив при любом числе промежуточных звеньев.

Значения внешней контактной разности потенциалов для различных пар металлов изменяется от нескольких десятых вольта до нескольких вольт.

Если составить замкнутую цепь из произвольного числа разнородных металлов, то сумма внутренних контактных разностей потенциалов при одинаковой температуре спаев будет равна нулю. Возникновение Э.Д.С. в замкнутой цепи при таких условиях противоречило бы второму началу термодинамики.