Perbedaan potensial kontak

Jika dua sampel yang terbuat dari dua logam berbeda ditekan bersama-sama, maka perbedaan potensial kontak akan terjadi di antara keduanya. Fisikawan, ahli kimia, dan ahli fisiologi Italia Alessandro Volta menemukan fenomena ini pada tahun 1797 saat mempelajari sifat kelistrikan logam.

Kemudian Volta menemukan bahwa jika Anda menghubungkan logam dalam rantai dengan urutan sebagai berikut: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, maka setiap logam berikutnya dalam rantai yang dihasilkan akan memperoleh potensi - lebih rendah dari yang sebelumnya. Selain itu, ilmuwan menemukan bahwa beberapa logam yang digabungkan dengan cara ini akan memberikan perbedaan potensial yang sama antara ujung-ujung sirkuit yang terbentuk, terlepas dari urutan susunan logam-logam tersebut di sirkuit ini - posisi ini sekarang dikenal sebagai hukum kontak seri Volta .

Di sini sangat penting untuk dipahami bahwa untuk implementasi yang tepat dari hukum urutan kontak, seluruh rangkaian logam harus berada pada suhu yang sama.

Jika sirkuit ini sekarang ditutup dari ujungnya sendiri, maka mengikuti hukum bahwa EMF di sirkuit akan menjadi nol.Tetapi hanya jika semua ini (logam 1, logam 2, logam 3) berada pada temperatur yang sama, jika tidak, hukum dasar alam—hukum kekekalan energi—akan dilanggar.

Untuk pasangan logam yang berbeda, perbedaan potensial kontak akan menjadi miliknya sendiri, mulai dari sepersepuluh dan seperseratus volt hingga beberapa volt.

Untuk memahami alasan munculnya perbedaan potensial kontak, akan lebih mudah menggunakan model elektron bebas.

Biarkan kedua logam pasangan berada pada suhu nol mutlak, maka semua tingkat energi, termasuk batas Fermi, akan terisi elektron. Nilai energi Fermi (batas) berhubungan dengan konsentrasi elektron konduksi dalam logam sebagai berikut:

m adalah massa sisa elektron, h adalah konstanta Planck, n adalah konsentrasi elektron konduksi

Mempertimbangkan rasio ini, kami mendekatkan dua logam dengan energi Fermi yang berbeda dan karenanya dengan konsentrasi elektron konduksi yang berbeda.

Mari kita asumsikan untuk contoh kita bahwa logam kedua memiliki konsentrasi elektron konduksi yang tinggi dan karenanya tingkat Fermi logam kedua lebih tinggi daripada yang pertama.

Kemudian, ketika logam-logam tersebut bersentuhan satu sama lain, sebuah difusi (penetrasi dari satu logam ke logam lain) elektron akan dimulai dari logam 2 ke logam 1, karena logam 2 telah mengisi tingkat energi yang berada di atas tingkat Fermi logam pertama. , yang berarti elektron dari level ini akan mengisi kekosongan logam 1.

Pergerakan terbalik elektron dalam situasi seperti itu tidak mungkin secara energik, karena pada logam kedua semua tingkat energi yang lebih rendah sudah terisi penuh.Akhirnya, logam 2 akan bermuatan positif dan logam 1 bermuatan negatif, sedangkan tingkat Fermi logam pertama akan menjadi lebih tinggi dari sebelumnya, dan logam kedua akan berkurang. Perubahan ini akan menjadi sebagai berikut:

Akibatnya, perbedaan potensial akan muncul antara logam yang bersentuhan dan medan listrik yang sesuai, yang sekarang akan mencegah difusi elektron lebih lanjut.

Prosesnya akan berhenti total ketika perbedaan potensial mencapai nilai tertentu yang sesuai dengan persamaan tingkat Fermi kedua logam, di mana tidak akan ada tingkat bebas pada logam 1 untuk elektron yang baru tiba dari logam 2, dan pada logam 2 tidak ada tingkatan yang akan dibebaskan pada kemungkinan migrasi elektron dari logam 1. Neraca energi akan datang:

Karena muatan elektron negatif, kita akan memiliki posisi berikut relatif terhadap potensial:

Meskipun awalnya kita menganggap suhu logam sebagai nol mutlak, namun dengan cara yang sama kesetimbangan akan terjadi pada suhu berapa pun.

Energi Fermi di hadapan medan listrik tidak lebih dari potensi kimiawi elektron tunggal dalam gas elektron yang mengacu pada muatan elektron tunggal itu, dan karena dalam kondisi kesetimbangan potensi kimiawi gas elektron kedua logam akan sama , hanya perlu menambah pertimbangan ketergantungan potensial kimia pada suhu.

Jadi, perbedaan potensial yang kami pertimbangkan disebut perbedaan potensial kontak internal dan sesuai dengan hukum Volta untuk kontak seri.

Mari kita perkirakan beda potensial ini, untuk ini kita nyatakan energi Fermi dalam bentuk konsentrasi elektron konduksi, lalu gantikan nilai numerik konstanta:

Jadi, berdasarkan model elektron bebas, beda potensial kontak internal untuk logam berada pada urutan besarnya dari seperseratus volt hingga beberapa volt.