Контактная разность потенциалов

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле.

Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой металл. В верхней части рисунка 2.1 изображены два металла – слева до соприкосновения, справа – после. В нижней части рисунка даны графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми в первом металле лежит, по предположению, выше, чем во втором. 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 (т.к. потенциал металла и потенциальная энергия электрона в нем имеют разные знаки).

Равновесие между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) достигается при равенстве полных энергий, соответствующих уровням Ферми. При этом условии уровни Ферми обоих металлов располагаются на энергетической схеме на одинаковой высоте. Из рисунка 2.1 видно, что в этом случае потенциальная энергия электрона на поверхности первого металла будет на меньше, чем вблизи второго металла. Следовательно, потенциал на поверхности первого металла будет выше, чем на поверхности второго на величину

(2.1)

Величина , равная разности работ выхода для второго и первого металлов, деленной на элементарный заряд, устанавливается между точками, лежащими вне металлов вблизи их поверхностей, и поэтому называется внешней контактной разностью потенциалов. Ее значения для различных пар металлов колеблются от нескольких десятых вольта до нескольких вольт.

Между внутренними точками металлов также имеется разность потенциалов, которая называется внутренней. Из рисунка 2.1 видно, что потенциальная энергия электрона в первом металле меньше, чем во втором, на . Соответственно потенциал внутри первого металла выше, чем внутри второго, на величину

(2.2)

Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из первого металла во второй.

Представив область контакта двух металлов в виде плоского конденсатора, можно определить, что для создания внутренней контактной разности потенциалов требуется всего лишь порядка электронов из одноатомного слоя у поверхности металлов. Такое незначительное изменение концентрации электронного газа в контактном слое, с одной стороны, и малая толщина потенциального барьера на границе раздела металлов, обеспечивающая прозрачность его для туннелирования электронов, с другой стороны, не могут привести к сколько-нибудь заметному изменению электропроводности этого слоя по сравнению с металлом в объеме. Через контакт двух металлов электрический ток идет так же легко, как и через сами проводники.