2.10. Контактная разность потенциалов. Закон Вольта.

Итальянский физик Александр Вольта обнаружил что при контакте двух разнородных металлов между ними образуется разность потенциалов, которую он назвал контактной разностью потенциалов. Он расположил известные в то время металлы в определенной последовательности: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd – ряд Вольта. В этом ряде каждый последующий металл заряжается положительно по отношению к предыдущему. Вольт экспериментально установил 2 закона: 1) при контакте двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, зависящая от химического состава металла и от температуры места контакта. 2) Если составить цепь из последовательно соединенных разнородных металлов, места контактов которых поддерживаются при одинаковой температуре, то разность потенциалов между концами цепи не зависит от химического состава промежуточных металлов, она будет такой же какая была бы разность потенциалов, при не последовательном соединении крайних металлов. Причины возникновения контактной разности потенциалов:

1) разная работа выхода электронов в разных металлах.Пусть A₂<A₁ (А- работа выхода электронов). Электроны из металла, где работа выхода меньше, переходят в другой металл. Второй металл заряжается положительно, первый - отрицательно. Переход электронов происходит до тех пор, пока уровни Ферме обоих металлов не сравняются. При этом все энергетические уровни первого металла поднимаются, а второго – опускаются. Между металлами возникает разность потенциалов.

2) разная концентрация свободных электронов в разных металлах. Пусть А₂>А₁ (концентрация свободных электронов). Электроны из металла где концентрация больше переходят в другой металл, пока концентрация не сравняется, между металлами возникает разность потенциалов: , здесь T –температура места контактов. Суммарная разность потенциалов: ..Формула (1) является доказательством первого закона Вольта. Для доказательства второго закона, рассмотрим цепь из трех металлов.

Контакты а и b имеют одинаковую температуру.

Суммарная разность потенциалов:

;

.

2.13 Основы зонной теории проводимости твердых тел.

В атомах электроны могут вращаться только по определенным орбиталям. Каждый стационарной орбите соответствует свое значение энергии. Возможные значения энергии атома называются энергетическими уровнями. На энергетической диаграмме энергетические уровни изображаются горизонтальными линиями.

Пример энергетических уровней атома

На каждом уровне может расположиться не более двух электронов. Энергия электронов внутри атома отрицательна. Энергия бесконечно удаленного от ядра электрона считается раной нулю при . При образовании кристаллической решетки энергетические уровни соответствующие электронам внутренних оболочек практически не меняются.

При уменьшении расстояния r между атомами энергетические уровни внешних оболочек расширяются(расщепляются), образуя так называемые энергетические зоны. Некоторые энергетические зоны могут перекрываться.

В пределах каждой энергетической зоны имеется порядка 10²⁶ энергетических уровней. Ширина энергетической зоны:

ΔW_ЗП и ΔW_ВЗ=1-3 эВ

Поэтому расстояние между соседними энергетическими уровнями в пределах зоны порядка 10^-26 эВ.

Энергетическая зона соответствующая валентным электронам называется валентной зоной(ВЗ).

Энергетическая зона, которая находится над валентной зоной называется зоной проводимости(ЗП). Расстояние ΔW между ВЗ и ЗП называется энергией активации. Энергия электронов может соответствовать только энергетическим зонам. В промежутках между энергетическими зонами электроны находиться не могут, поэтому они называются запрещенными зонами(ЗЗ).

В металлах ВЗ заполнена электронами частично, а часть энергетических уровней не занято электронами. В щелочноземельных металлах ВЗ полностью заполнена электронами, но она перекрывается с зоной ЗП.

В диэлектриках ВЗ полностью заполнена электронами. Ширина Запрещенной зоны ΔW>1,5 эВ. В полупроводниках ВЗ полностью заполнена электронами, но ширина ЗЗ ΔW<1 эВ. При обычных напряженностях электрического поля энергия электронов может увеличиваться на сотые доли эВ. Этой энергии достаточно чтобы перейти на более высокие энергетические уровни в пределах одной зоны, но недостаточно перескочив ЗЗ, перейти в ЗП. В металлах за счет наличия свободных энергетических уровней в пределах зоны электроны могут ускоряться под действием электрического поля, переходя на более высокие уровни. Поэтому металлы проводят электрический ток. У диэлектриков все энергетические уровни ВЗ заняты электронами, энергия активации большая, поэтому под действием электрического поля электроны не могут приобретать энергию для перехода в ЗП. Диэлектрики являются изоляторами. При напряженности в сотни кВ/м некоторые электроны могут перейти в ЗП. Диэлектрик начинает пропускать электрический ток. Это явление называется пробоем диэлектрика.