接觸電勢(shì)

原因介紹

由于兩塊金屬的費(fèi)米能級(jí)不一樣高，由于費(fèi)米能級(jí)代表著電子的化學(xué)勢(shì)，當(dāng)兩塊金屬接觸可以交換電子時(shí)，就會(huì)發(fā)生從化學(xué)勢(shì)高到化學(xué)勢(shì)低的電子流動(dòng)，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)。兩個(gè)導(dǎo)體依靠產(chǎn)生接觸電勢(shì)差補(bǔ)償原來(lái)它們之間費(fèi)米能級(jí)的差別，從而使電子達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。 2100433B

金屬接觸電勢(shì)差完全由兩金屬的脫出功決定, 不存在由脫出功以外的電子密度不同這一因素而造成的所謂內(nèi)接觸電勢(shì)差 。

由兩種不同金屬M(fèi)1 和M2構(gòu)成的非閉合回路如下圖，在真空中靠近兩金屬表面處的點(diǎn)a和點(diǎn)b間存在著因兩金屬的脫出功不同而產(chǎn)生的外接觸電勢(shì)差U12，如公式一 。

其中e為電子電荷的絕對(duì)值, 分別為M1 和M2的脫出功, 此外, 在兩金屬相接觸處的點(diǎn)c和點(diǎn)d間, 存在著因兩金屬單位體積中的自由電子數(shù)不同而產(chǎn)生的另一種接觸電勢(shì)差一一內(nèi)接觸電勢(shì)差。

基于普遍的熱力學(xué)觀點(diǎn)，把相互接觸的金屬M(fèi)1、M2看成是可以交換粒（電子）的兩個(gè)子系統(tǒng), 它們?cè)谝欢ǖ臏囟群蛪簭?qiáng)的通常情況下相互接觸后，由于電子交換 。

若Ef1=Ef2，則d?=0相當(dāng)于平衡態(tài)。Ef1≠Ef2，系統(tǒng)就不平衡；過(guò)渡到平衡態(tài)，意味著d?Ef2，條件d??<0要求dN10；即具有較高的費(fèi)米能級(jí)的子系統(tǒng)M1的電子數(shù)將減少，具有較低費(fèi)米能級(jí)的子系統(tǒng)M2的電子數(shù)將增加，即電子從M1流入M2直至由于電子轉(zhuǎn)移引起金屬M(fèi)1、M2的電勢(shì)發(fā)生變化，使兩者的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到一致為止。因此兩種不同金屬M(fèi)1、M2接觸后，M1帶正電、電勢(shì)升高，電子的勢(shì)能減小；M2帶負(fù)電、電勢(shì)降低，電子的勢(shì)能增大。也就是說(shuō), 由原來(lái)的兩金屬費(fèi)米能級(jí)不同而引起的電子轉(zhuǎn)移,在M1、M2間形成了靜電場(chǎng)，使金屬M(fèi)1的電勢(shì)高于金屬M(fèi)2，其電勢(shì)差即通常所說(shuō)的接觸電勢(shì)差。這時(shí)候金屬M(fèi)1,中的電子附加上在正的靜電場(chǎng)中的能量（負(fù)值） , 同時(shí)金屬M(fèi)2 中的電子附加上在負(fù)的靜電場(chǎng)中的能量（正值） , 恰好使兩金屬的費(fèi)米能級(jí)相同, 達(dá)到平衡, 電子的凈轉(zhuǎn)移過(guò)程也就停止了 。

金屬接觸電勢(shì)差完全由兩金屬的脫出功決定, 不存在由脫出功以外的電子密度不同這一因素而造成的所謂內(nèi)接觸電勢(shì)差 。

接觸電勢(shì)差：兩種不同的金屬相互接觸時(shí)在它們之間產(chǎn)生的電勢(shì)差。 其數(shù)值決定于金屬的性質(zhì)和接觸面的溫度。因不同金屬的功函數(shù)(電子逸出金屬表面所需的功)不同而產(chǎn)生。

與功函數(shù)的關(guān)系：Va-Vb=1/e(Φb-Φa)

產(chǎn)生接觸電勢(shì)差的原因是：⑴兩種金屬電子的逸出功不同。⑵兩種金屬的電子濃度不同。若A、B兩種金屬的逸出功分別為Va和Vb，電子濃度分別為Na和Nb，則它們之間的接觸電勢(shì)差為

Vab=Va-Vb (kT/e)×ln(Na/Nb)

式中的k為玻爾茲曼（Boltzmann）常數(shù)，e是電子電量，T是金屬的絕對(duì)溫度。幾種金屬依次連接時(shí)，接觸電勢(shì)差只與兩端金屬的性質(zhì)有關(guān)，與中間金屬無(wú)關(guān)。

將兩塊不同的金屬（如銅和鐵）靠在一起時(shí)，由于兩金屬中自由電子濃度的不同，使得電子從一金屬向另一金屬擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，電子轉(zhuǎn)移量與金屬所處的溫度有關(guān)。如果將兩塊金屬處于同一溫度，那么電子轉(zhuǎn)移會(huì)達(dá)到一種平衡，這種平衡使得兩金屬的接觸界面上產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)。溫度不同，接觸電勢(shì)也不同，根據(jù)接觸電勢(shì)的大小，可以測(cè)量觸點(diǎn)所處的溫度，這種裝置稱為熱電偶。如果將兩個(gè)類似于熱電偶的金屬接觸面置于不同的溫度下，并用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)形成閉合回路，那么，在導(dǎo)線中將會(huì)產(chǎn)生不間斷的電流，這就是最簡(jiǎn)單的溫差發(fā)電。