Электричество и магнетизм / Разное / 53_1_We

53. Контактные Явления. Контактная Разность Потенциалов ⚡️

Контактные явления — это физические процессы, возникающие на границе соприкосновения двух различных твёрдых тел (металлов, полупроводников, или их сочетаний) и приводящие к формированию двойного электрического слоя и контактной разности потенциалов.

1. Механизм Возникновения

Контактные явления объясняются различием в работе выхода электронов у контактирующих материалов.

Работа выхода ( ) — это минимальная энергия, необходимая электрону для преодоления потенциального барьера и выхода из объёма материала.

1. Неравенство работ выхода: Пусть два проводника и имеют разную работу выхода: .

2. Разные уровни Ферми: До контакта уровень Ферми ( — энергетический уровень, который электроны занимают при и который в равновесии одинаков для всех частей системы) у материала находится выше, чем у материала .

3. Переход электронов (Диффузия): При контакте электроны из материала (где они связаны слабее, меньше) начинают диффундировать в материал (где они связаны сильнее, больше) до тех пор, пока их уровни Ферми не сравняются ( ).

4. Двойной электрический слой:

• Материал , потеряв электроны, приобретает положительный заряд.

• Материал , получив избыток электронов, приобретает отрицательный заряд. Этот пространственно разделённый заряд, сосредоточенный у границы раздела, называется двойным электрическим слоем.

5. Равновесие: Двойной слой создаёт контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переносу заряда. В равновесном состоянии, установившемся после перехода, движение электронов в обе стороны уравновешивается.

2. Контактная Разность Потенциалов ( )

Контактная разность потенциалов ( ) — это разность электрических потенциалов, возникающая между объёмами двух контактирующих материалов в состоянии термодинамического равновесия.

Она численно равна отношению разности работ выхода к заряду электрона:

• , если .

• является внутренней разностью потенциалов.

3. Замкнутая Цепь (Закон Вольта)

Если создать замкнутую цепь, состоящую из нескольких различных проводников, контакты которых находятся при одинаковой температуре ( ), то суммарная контактная разность потенциалов во всей цепи будет равна нулю.

Пусть цепь состоит из проводников 1, 2, 3... и контакты 1-2, 2-3, 3-1:

Вывод: Измерить контактную разность потенциалов (и следовательно, разницу работ выхода) с помощью вольтметра в цепи, где все контакты имеют одинаковую температуру, невозможно, так как вольтметр сам является третьим проводником, и общая ЭДС цепи всегда будет равна нулю. Это объясняет, почему для возникновения измеримой ЭДС необходима разница температур (эффект Зеебека).