Diferencia de potencial de contacto

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La diferencia de potencial de contacto (en la literatura inglesa - potencial de Volta ) es la diferencia de potencial que se produce cuando dos conductores sólidos diferentes entran en contacto que tienen la misma temperatura . Existen diferencias de potencial internas y externas dependiendo de si se consideran los potenciales del volumen equipotencial de los conductores en contacto o los potenciales cerca de su superficie [1] .

La diferencia de potencial de contacto no se puede medir directamente con un voltímetro , pero puede aparecer en las características de corriente-voltaje del contacto. Un ejemplo de un dispositivo donde una diferencia de potencial de contacto externo de dos metales afecta la característica I-V es un diodo de tubo . La diferencia de potencial de contacto interno subyace en el funcionamiento de dispositivos semiconductores tales como un diodo de unión pn , un diodo semiconductor de metal , un transistor y muchos otros.

Descripción

Cuando dos conductores con diferentes funciones de trabajo entran en contacto, aparecen cargas eléctricas en la región de contacto cercano. Y entre sus extremos libres existe una diferencia de potencial . El valor de la diferencia de potencial de contacto externo es igual a la diferencia en las funciones de trabajo por carga de electrones. Si los conductores están conectados en un anillo, la FEM en el anillo será igual a 0. Para diferentes pares de metales, el valor de la diferencia de potencial de contacto oscila entre décimas de voltio y algunos voltios [2] .

Explicación

Para explicar la diferencia de potencial de contacto interno en los metales, se recurre al modelo de electrones libres ya la teoría de bandas . Considere un diagrama de energía que represente la energía total de un electrón. La energía total de un electrón es igual a la suma de la energía potencial en campos eléctricos y la energía cinética. La energía total cero en el diagrama de energía corresponde a un electrón estacionario lejos del metal (este es el llamado nivel de energía de vacío). Para un electrón dentro de un metal, la energía total será negativa; el electrón está en un pozo de potencial.

Considere primero la estructura energética de un metal aislado. Supongamos que la temperatura del metal es 0 K. La estructura de energía del metal en el caso más simple está determinada por dos cantidades: la función de trabajo (es decir, la distancia desde el nivel de Fermi al nivel de vacío) y el grado de llenado de la banda superior con electrones ( energía de Fermi ). Todos los niveles de energía desde el comienzo de la banda de energía hasta el nivel de Fermi estarán llenos de electrones. La energía cinética máxima de un electrón, de acuerdo con la teoría de bandas de los metales, es igual a la energía de Fermi. La posición del nivel de Fermi en la escala de energías totales debida al principio de Pauli será el valor del potencial químico de un sistema dado de electrones.

El contacto de los metales desequilibra el sistema (ya que los potenciales químicos de los dos metales no coinciden), la difusión de electrones se produce en el sentido de disminuir su energía, lo que provoca un cambio en la carga y el potencial eléctrico de los metales. En la región de contacto cercano comienza el crecimiento del campo eléctrico. La aparición de un campo eléctrico desplaza todos los niveles de energía de los electrones de estos metales, y el nivel de Fermi se desplazará tras ellos. Cuando las posiciones del nivel de Fermi (potencial químico) de ambos metales en la escala de energía se igualan, la carga en la región de contacto cercano dejará de cambiar y llegará el equilibrio de difusión-deriva. Cabe destacar que la difusión de electrones prácticamente no cambia ni la concentración de electrones ni el valor de la energía de Fermi de cada metal. La diferencia de posiciones de los bordes inferiores de la banda de energía en el primer y segundo metal, referida a la carga del electrón, se denominará diferencia de potencial de contacto interno.

La experiencia de Volta

Volta demostró la existencia de una diferencia de potencial mediante el siguiente experimento. Dos discos de diferentes materiales (zinc y cobre) se colocan sobre la varilla del electroscopio , se cubren con una fina capa de dieléctrico y se ponen en contacto. Por un corto tiempo, los discos se cierran con alambre de cobre. En este caso, surge una diferencia de potencial de contacto entre ellos, y el zinc se carga positivamente y el cobre se carga negativamente. En este caso, se observa una ligera discrepancia entre las hojas del electroscopio. Para aumentar las lecturas del electroscopio, se quita el alambre de cobre y se separan los discos. Dado que la carga del capacitor formado por dos discos no cambia y la capacitancia disminuye, el voltaje a través del capacitor aumenta. En este caso, las hojas del electroscopio divergen a mayor distancia.


Medida de la diferencia de potencial de contacto

El valor de la diferencia de potencial de contacto depende de la naturaleza química de los metales, su temperatura y no depende de la forma geométrica y el área de contacto. El signo y la magnitud de la diferencia de potencial de contacto se pueden determinar directamente a partir de los gráficos construidos de acuerdo con la fórmula: . La dependencia tiene lugar solo en diferencias de potencial negativas entre el ánodo y el cátodo (teniendo en cuenta la diferencia de potencial de contacto). Con diferencias de potencial positivas, el aumento de corriente se ralentiza, y si se alcanza la corriente de saturación, se detiene (si despreciamos el efecto Schottky [3] ). Por lo tanto, se produce una ruptura en la línea recta en , y el voltaje negativo entre el ánodo y el cátodo debe contarse desde este punto. La diferencia de potencial de contacto entre el ánodo y el cátodo se determina extrapolando ambas partes del gráfico con líneas rectas hasta que se cruzan. Por lo tanto, de acuerdo con la forma de la línea del gráfico , se puede determinar la diferencia de potencial de contacto y rastrear cómo depende de la temperatura del cátodo.

En la práctica, la medición de la diferencia de potencial de contacto se implementa en el método de ensayo no destructivo del mismo nombre, utilizado en ciencia y tecnología [4] .

notas

  1. ↑ S. G. Kalashnikov - Electricidad. M: Física. Estera. Lit 2008 - 624s.
  2. ↑ Diferencia de potencial de contacto - bse.sci-lib.com/article064081.html
  3. ↑ Efecto Schottky  // Wikipedia. — 2020-12-24.
  4. ↑ Método de diferencia de potencial de contacto .

Enlaces