Контактная разность потенциалов: в чем суть?

Контактная разность потенциалов - удивительное квантовое явление, которое лежит в основе работы многих электронных приборов. Давайте разберемся, что это такое и почему без него не обходится ни одно электронное устройство.

Что такое контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов - это разность электрических потенциалов, возникающая при контакте двух разнородных проводников (металлов или полупроводников). Это квантово-механическое явление, обусловленное разницей в работах выхода электронов из материалов. Работа выхода - это минимальная энергия, которую нужно затратить, чтобы вырвать электрон из объема проводника.

Контактная разность потенциалов появляется из-за того, что при соприкосновении двух проводников происходит диффузия электронов - они начинают перетекать туда, где им энергетически выгоднее находиться. Электроны движутся из материала с меньшей работой выхода в материал с бо́льшей работой выхода. В результате этого проводники заряжаются: один - положительно, другой - отрицательно. Между проводниками возникает контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перетеканию электронов.

Виды контактной разности потенциалов

Различают два вида контактной разности потенциалов:

1. Внутренняя - возникает в объеме проводников вблизи границы их контакта
2. Внешняя - возникает в зазоре между поверхностями проводников

Величина контактной разности потенциалов выражается формулой:

φ = (A1 - A2)/q

где φ - контактная разность потенциалов, A₁ и A₂ - работы выхода проводников, q - заряд электрона. Из формулы видно, что контактная разность потенциалов прямо пропорциональна разности работ выхода проводников.

Например, для контакта меди и серебра внутренняя контактная разность потенциалов составит 0,46 В.

Законы Вольты

Основные законы контактной разности потенциалов были сформулированы итальянским ученым Алессандро Вольтой.

Контактная разность потенциалов зависит только от природы соприкасающихся тел и их температуры

Это означает, что величина контактной разности потенциалов определяется материалами проводников и не зависит от площади контакта, давления и других факторов.

В замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно контактирующих разнородных проводников при одинаковой температуре, сумма всех контактных разностей потенциалов равна нулю

Этот закон говорит, что контактная разность потенциалов в цепи зависит только от работ выхода крайних звеньев цепи и не зависит от промежуточных проводников. Например:

• Контактная разность потенциалов между медью и серебром 0,46 В
• Между медью и золотом 0,6 В
• Между золотом и серебром 0,14 В

Сумма 0,46 В + 0,14 В = 0,6 В, то есть равна контактной разности потенциалов между крайними медью и золотом. Таким образом, законы Вольты позволяют рассчитывать контактную разность потенциалов в сложных электрических цепях.

Как измерить контактную разность потенциалов

Несмотря на кажущуюся простоту явления контактной разности потенциалов, определить ее величину на практике не так легко. Прямое измерение контактной разности потенциалов вольтметром невозможно, поскольку при замыкании цепи она всегда будет равна нулю.

Поэтому были разработаны косвенные методы определить контактную разность потенциалов. Рассмотрим два наиболее распространенных.

Метод вибрирующего конденсатора

В этом методе используется конденсатор, обкладки которого изготовлены из исследуемой пары металлов. Одна из обкладок совершает высокочастотные колебания, изменяя расстояние между пластинами. При этом меняется и емкость конденсатора. Благодаря контактной разности потенциалов в цепи возникает переменный электрический ток, который регистрируется специальным измерительным устройством. По показаниям этого устройства можно рассчитать величину контактной разности потенциалов исследуемой пары металлов.

Метод компенсации

В этом методе к исследуемой паре металлов подключают дополнительный источник напряжения переменного тока. Постепенно меняя амплитуду и фазу этого напряжения, добиваются компенсации тока контактной разности потенциалов в нуль. При этом значение компенсирующего напряжения как раз и будет равно величине контактной разности потенциалов данной пары металлов.

Оба эти методы достаточно трудоемки и требуют применения дорогостоящей измерительной аппаратуры. Поэтому на практике для оценки контактной разности потенциалов часто используют значения работ выхода из справочников по физике твердого тела.

Применение контактной разности потенциалов

Явление контактной разности потенциалов широко используется в полупроводниковых приборах - диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим применение этого эффекта на примере p-n перехода.

P-n переход образуется при контакте двух полупроводниковых областей с разным типом проводимости. Области имеют разные концентрации электронов и дырок. При их контакте из-за контактной разности потенциалов происходит диффузия носителей заряда через поверхность раздела. В результате в приконтактной области образуется двойной электрический слой - так называемая область пространственного заряда. Это область с ионизированными атомами кристаллической решетки без свободных носителей заряда. Область пространственного заряда обладает выпрямляющими свойствами, что и используется в диодах и транзисторах.

Перспективы применения

Современная микро- и наноэлектроника активно использует эффекты, основанные на контактной разности потенциалов. Например, в микропроцессорах применяются кремниевые p-n переходы размером менее 10 нм. При уменьшении размеров резко возрастает плотность протекающего через структуру тока. Это позволяет создавать все более компактные и производительные микросхемы.

Перспективным направлением является использование контактной разности потенциалов в термоэлектрических материалах. Например, теллурид висмута и теллура демонстрирует рекордно высокий коэффициент Зеебека, позволяя эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Такие материалы могут использоваться для создания термоэлектрических генераторов, в том числе в имплантируемых медицинских устройствах.

Таким образом, контактная разность потенциалов - фундаментальное явление, которое еще долго будет служить основой для новых открытий и изобретений.