संपर्क क्षमता में अंतर

यदि दो अलग-अलग धातुओं से बने दो नमूनों को एक साथ कसकर दबाया जाता है, तो उनके बीच एक संपर्क विभवांतर उत्पन्न होगा। इतालवी भौतिक विज्ञानी, रसायनज्ञ और फिजियोलॉजिस्ट एलेसेंड्रो वोल्टा ने 1797 में धातुओं के विद्युत गुणों का अध्ययन करते हुए इस घटना की खोज की।

फिर वोल्टा ने पाया कि यदि आप धातुओं को एक श्रृंखला में इस क्रम में जोड़ते हैं: Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, तो परिणामी श्रृंखला में प्रत्येक बाद की धातु प्राप्त होगी क्षमता - पिछले वाले से कम। इसके अलावा, वैज्ञानिक ने पाया कि इस तरह से संयुक्त कई धातुएं इस सर्किट में इन धातुओं की व्यवस्था के अनुक्रम के बावजूद गठित सर्किट के सिरों के बीच समान संभावित अंतर देगी - इस स्थिति को अब श्रृंखला संपर्कों के वोल्टा के कानून के रूप में जाना जाता है .

यहां यह समझना बेहद जरूरी है कि संपर्क अनुक्रम के कानून के सटीक कार्यान्वयन के लिए, यह आवश्यक है कि संपूर्ण धातु सर्किट एक ही तापमान पर हो।

यदि यह सर्किट अब सिरों से ही बंद हो जाता है, तो यह कानून से पालन करता है कि सर्किट में ईएमएफ शून्य होगा।लेकिन केवल तभी जब ये सभी (धातु 1, धातु 2, धातु 3) एक ही तापमान पर हों, अन्यथा प्रकृति का मूल नियम - ऊर्जा के संरक्षण का नियम - का उल्लंघन होगा।

धातुओं के विभिन्न युग्मों के लिए, संपर्क विभवान्तर स्वयं का होगा, वोल्ट के दसवें और सौवें भाग से लेकर कुछ वोल्ट तक।

संपर्क संभावित अंतर की उपस्थिति के कारण को समझने के लिए, मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल का उपयोग करना सुविधाजनक है।

जोड़ी की दोनों धातुओं को पूर्ण शून्य तापमान पर होने दें, फिर फर्मी सीमा सहित सभी ऊर्जा स्तर इलेक्ट्रॉनों से भर जाएंगे। फर्मी ऊर्जा (सीमा) का मान धातु में चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता से निम्नानुसार संबंधित है:

m इलेक्ट्रॉन का शेष द्रव्यमान है, h प्लांक स्थिरांक है, n चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता है

इस अनुपात को ध्यान में रखते हुए, हम दो धातुओं को अलग-अलग फर्मी ऊर्जाओं के साथ निकट संपर्क में लाते हैं और इसलिए चालन इलेक्ट्रॉनों की विभिन्न सांद्रता के साथ।

आइए हम अपने उदाहरण के लिए मान लें कि दूसरी धातु में चालन इलेक्ट्रॉनों की उच्च सांद्रता है और तदनुसार दूसरी धातु का फर्मी स्तर पहले की तुलना में अधिक है।

फिर, जब धातु एक दूसरे के संपर्क में आते हैं, तो धातु 2 से धातु 1 तक इलेक्ट्रॉनों का प्रसार (एक धातु से दूसरी धातु में प्रवेश) शुरू हो जाएगा, क्योंकि धातु 2 में ऊर्जा के स्तर भरे हुए हैं जो पहले धातु के फर्मी स्तर से ऊपर हैं। , जिसका अर्थ है कि इन स्तरों के इलेक्ट्रॉन धातु 1 रिक्तियों को भर देंगे।

ऐसी स्थिति में इलेक्ट्रॉनों की रिवर्स गति ऊर्जावान रूप से असंभव है, क्योंकि दूसरी धातु में सभी निचले ऊर्जा स्तर पहले से ही पूरी तरह से भरे हुए हैं।आखिरकार, धातु 2 धनात्मक रूप से आवेशित हो जाएगा और धातु 1 ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाएगा, जबकि पहली धातु का फर्मी स्तर इससे अधिक हो जाएगा, और दूसरी धातु घट जाएगी। यह बदलाव इस प्रकार होगा:

नतीजतन, संपर्क करने वाली धातुओं और संबंधित विद्युत क्षेत्र के बीच एक संभावित अंतर उत्पन्न होगा, जो अब इलेक्ट्रॉनों के आगे प्रसार को रोक देगा।

इसकी प्रक्रिया पूरी तरह से बंद हो जाएगी जब संभावित अंतर दो धातुओं के फर्मी स्तरों की समानता के अनुरूप एक निश्चित मूल्य तक पहुंच जाता है, जिस पर धातु 2 से नए आने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए धातु 1 में कोई मुक्त स्तर नहीं होगा, और धातु 2 में धातु 1 से इलेक्ट्रॉन प्रवास की संभावना पर कोई स्तर मुक्त नहीं होगा। ऊर्जा संतुलन आएगा:

चूँकि इलेक्ट्रॉन का आवेश ऋणात्मक होता है, इसलिए विभव के सापेक्ष हमारी निम्नलिखित स्थिति होगी:

यद्यपि हमने मूल रूप से धातुओं के तापमान को पूर्ण शून्य मान लिया है, फिर भी इसी प्रकार संतुलन किसी भी तापमान पर होगा।

एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में फर्मी ऊर्जा उस एकल इलेक्ट्रॉन के आवेश को संदर्भित एक इलेक्ट्रॉन गैस में एक इलेक्ट्रॉन की रासायनिक क्षमता से अधिक कुछ नहीं होगी, और चूंकि संतुलन की स्थिति में दोनों धातुओं के इलेक्ट्रॉन गैसों की रासायनिक क्षमता बराबर होगा, केवल तापमान पर रासायनिक क्षमता की निर्भरता को विचार में जोड़ना आवश्यक है।

तो, हमारे द्वारा माना जाने वाला संभावित अंतर आंतरिक संपर्क संभावित अंतर कहलाता है और श्रृंखला संपर्कों के लिए वोल्टा के नियम से मेल खाता है।

आइए इस संभावित अंतर का अनुमान लगाएं, इसके लिए हम चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता के संदर्भ में फर्मी ऊर्जा को व्यक्त करते हैं, फिर स्थिरांक के संख्यात्मक मूल्यों को प्रतिस्थापित करते हैं:

इस प्रकार, मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल के आधार पर, धातुओं के लिए आंतरिक संपर्क संभावित अंतर वोल्ट के सौवें से लेकर कई वोल्ट तक परिमाण के क्रम पर होता है।