§ 76. Контактная разность потенциалов

Если привести два разных металла в соприкоснове­ние, между ними возникнет разность потенциалов, кото­рая называется контактной. При этом в окружаю­щем металлы пространстве появляется электрическое поле. На рис. 163 изображены эквипотенциальные по­верхности (сплошные ли­нии) и линии напря­женности (пунктирные) этого поля; поверхность каждого из металлов яв­ляется эквипотенциаль­ной.

Контактная разность потенциалов вызывается-тем, что при соприкосно­вении металлов часть электронов из одного ме­талла переходит в дру­гой. В верхней части рис. 164 изображены два ме­талла— слева до приве­дения их в соприкосновение, справа — после. В нижней части рисунка дан график потенциальной энергии элек­трона. Уровень Ферми в первом металле лежит по пред­положению выше, чем во втором. Естественно, что при возникновении контакта между металлами электроны с самых высоких уровней в первом металле станут пере­ходить на более низкие свободные уровни второго ме­талла. В результате потенциал первого металла возра­стет, а второго — уменьшится. Соответственно потенци­альная энергия электрона в первом металле уменьшится, а во втором увеличится (напомним, что потенциал ме­талла и потенциальная энергия электрона в нем имеют разные знаки; см. рис. 152).

В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися металлами (а так­же между полупроводниками или металлом и полупро­водником) является равенство полных энергий, соответ­ствующих уровням Ферми (рис. 164; в этом случае уров­ни Ферми располагаются на одинаковой высоте). При

соблюдении такого условия потенциальная энергия элек­трона в непосредственной близости к поверхности пер­вого металла будет на (есрг — ецц) меньше, чем вблизи второго металла. Следовательно, потенциал на поверх­ности первого металла будет на

выше, чем на поверхности второго. Величина U12 и есть контактная разность потенциалов между первым и вто* рым металлами.

Как видно из формулы (76.1), контактная разность потенциалов между первым и вторым металлами равна разности работ выхода для второго и первого металлов, деленной на элементарный заряд, или просто разности потенциалов выхода для второго и первого металлов.

Разность потенциалов (76.1) устанавливается между точками, лежащими вне металлов в непосредственной близости к их поверхности. Поэтому ее называют внеш­ней контактной разностью потенциалов. Чаще же говорят просто о контактной разности потенци­алов, подразумевая под ней внешнюю. Между внут­ренними точками металлов также имеется разность

потенциалов, которая называется внутренней. Как видно из рис. 164, потенциальная энергия электрона в нервом металле меньше, чем во втором, на W pi—WF2. Соответственно потенциал внутри первого металла вы­ше, чем внутри второго на величину

Выражение (76.2) дает внутреннюю контактную раз­ность потенциалов. На такую величину убывает потен­циал при переходе из первого металла во второй.

На рис. 165 изображены два соприкасающихся ме­талла / и 2 и рядом — изменение потенциала вдоль кон­тура, обозначенного штрихпунктирной линией. В зазоре В — С возникает электрическое поле, линии напряжен­ности которого показаны пуктиром.

На рис. 166 дан ход потенциальной энергии электрона вдоль трех раз­личных соприкасающихся друг с другом металлов /, 2, 3. Из рисунка вид­но,   что устанавливаю­щаяся между металлами / и 3 разность потенциа­лов оказывается в этом случае точно такой, как и при их непосредственном соприкосновении1). То же самое спра­ведливо при любом числе промежуточных звеньев: раз-

ность потенциалов между концами цепи определяется разностью работ выхода для металлов, образующих крайние звенья цепи.

Внешняя контактная разность потенциалов колеб­лется для различных пар металлов от нескольких деся­тых вольта до нескольких вольт.

Контактная разность потенциалов возникает и на границе между металлом и полупроводником, а также на границе между двумя по­лупроводниками.

В заключение отметим, что в замкнутой цепи, со­ставленной из любого числа разнородных металлов или полупроводников (рис. 167), сумма скачков потенциала равна нулю. Следовательно, если все спаи поддерживать при одинаковой температу­ре, э. д. с. в цепи возник­нуть не может. Возникнове- ' ние тока в такой цепи про­тиворечило бы второму на­ чалу термодинамики. Дейст­вительно, так как протекание тока в металлах и полупро­водниках не сопровождается химическими изменениями, ток совершал бы работу за счет тепла, получаемого от окружающей цепь среды. Никаких побочных процессов (например, передачи части полученного тепла другим телам) при этом не происходило бы. Таким образом был бы осуществлен перпетуум мобиле второго рода.