Diferença no potencial de contato

Se duas amostras feitas de dois metais diferentes forem pressionadas juntas, ocorrerá uma diferença de potencial de contato entre elas. O físico, químico e fisiologista italiano Alessandro Volta descobriu esse fenômeno em 1797 enquanto estudava as propriedades elétricas dos metais.

Então Volta descobriu que se você conectar os metais em uma cadeia nesta ordem: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, então cada metal subseqüente na cadeia resultante adquirirá um potencial de - menor que o anterior. Além disso, o cientista descobriu que vários metais combinados dessa forma darão a mesma diferença de potencial entre as pontas do circuito formado, independentemente da sequência de disposição desses metais nesse circuito - essa posição é hoje conhecida como lei de Volta dos contatos em série .

Aqui é extremamente importante entender que para a aplicação exata da lei da sequência de contato, é necessário que todo o circuito metálico esteja na mesma temperatura.

Se este circuito agora estiver fechado pelas extremidades, segue-se da lei que o EMF no circuito será zero.Mas apenas se todos eles (metal 1, metal 2, metal 3) estiverem na mesma temperatura, caso contrário, a lei básica da natureza – a lei da conservação da energia – seria violada.

Para diferentes pares de metais, a diferença de potencial de contato será própria, variando de décimos e centésimos de volt a alguns volts.

Para entender o motivo do aparecimento da diferença de potencial de contato, é conveniente usar o modelo de elétron livre.

Deixe ambos os metais do par estarem na temperatura do zero absoluto, então todos os níveis de energia, incluindo o limite de Fermi, serão preenchidos com elétrons. O valor da energia de Fermi (limite) está relacionado com a concentração de elétrons de condução no metal da seguinte forma:

m é a massa de repouso do elétron, h é a constante de Planck, n é a concentração de elétrons de condução

Levando em consideração essa relação, colocamos em contato próximo dois metais com diferentes energias de Fermi e, portanto, com diferentes concentrações de elétrons de condução.

Vamos assumir para o nosso exemplo que o segundo metal tem uma alta concentração de elétrons de condução e, portanto, o nível de Fermi do segundo metal é maior que o do primeiro.

Então, quando os metais entrarem em contato um com o outro, uma difusão (penetração de um metal para outro) de elétrons começará do metal 2 para o metal 1, porque o metal 2 preencheu os níveis de energia que estão acima do nível de Fermi do primeiro metal , o que significa que os elétrons desses níveis preencherão as vagas do metal 1.

O movimento reverso dos elétrons em tal situação é energeticamente impossível, pois no segundo metal todos os níveis de energia inferiores já estão completamente preenchidos.Eventualmente, o metal 2 ficará carregado positivamente e o metal 1 carregado negativamente, enquanto o nível de Fermi do primeiro metal ficará mais alto do que era e o do segundo metal diminuirá. Essa alteração será a seguinte:

Como resultado, uma diferença de potencial surgirá entre os metais em contato e o campo elétrico correspondente, o que impedirá a difusão adicional de elétrons.

Seu processo parará completamente quando a diferença de potencial atingir um determinado valor correspondente à igualdade dos níveis de Fermi dos dois metais, no qual não haverá níveis livres no metal 1 para os elétrons recém-chegados do metal 2 e no metal 2 nenhum nível será liberado na possibilidade de migração de elétrons do metal 1. O balanço de energia virá:

Como a carga do elétron é negativa, teremos a seguinte posição em relação aos potenciais:

Embora originalmente tenhamos assumido que a temperatura dos metais é zero absoluto, ainda assim, de maneira semelhante, o equilíbrio ocorrerá em qualquer temperatura.

A energia de Fermi na presença de um campo elétrico nada mais será do que o potencial químico de um único elétron em um gás de elétrons referido à carga desse único elétron e, desde que em condições de equilíbrio, os potenciais químicos dos gases de elétrons de ambos os metais será igual, é necessário apenas adicionar à consideração a dependência do potencial químico da temperatura.

Portanto, a diferença de potencial considerada por nós é chamada de diferença de potencial de contato interno e corresponde à lei de Volta para contatos em série.

Vamos estimar essa diferença de potencial, para isso expressamos a energia de Fermi em termos da concentração de elétrons de condução, depois substituímos os valores numéricos das constantes:

Assim, com base no modelo de elétron livre, a diferença de potencial de contato interno para metais é da ordem de grandeza de centésimos de volt a vários volts.