Контактная разность потенциалов.

В изолированном состоянии электронный газ в этих металлах характеризуется уровнями Ферми и ; термодинамические работы выхода электронов равны χ₁ и χ₂. Сблизим металлы до такого расстояния d, при котором возможен эффективный обмен электронами путем термоэлектронной эмиссии или непосредственного перехода их из одного металла в другой. В начальный момент после установления контакта электронный газ второго металла не будет находиться в равновесии с электронным газом первого металла, так как (уровень Ферми) располагается выше .

Наличие разности уровней Ферми () приводит к возникновению преимущественного перехода электронов из второго металла в первый. При этом первый металл заряжается отрицательно, а второй – положительно. Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов: в проводнике 1, заряженном отрицательно, все уровни поднимаются вверх, а в металле 2, заряженном положительно, все уровни опускаются вниз относительно своих положений в незаряженном состоянии этих металлов.

Как только непрерывно повышающийся уровень Ферми металла 1() и непрерывно понижающийся уровень Ферми металла 2() оказываются на одной высоте (рис. 7.1.1,в), причина, вызывающая преимущественное перетекание электронов из первого металла во второй, исчезает. Между металлами устанавливается динамическое равновесие, которому отвечает постоянная разность потенциалов между нулевыми уровнями этих металлов (рис. 7.1.2,в), равная

(7.1.1)

Эту разность потенциалов называют внешней контактной разностью потенциалов. Из (7.1.1) видно, что она обусловлена разностью работ выхода электронов из контактирующих металлов: электроны покидают металл, работа выхода из которого меньше, и переходят в металл, работа выхода из которого больше.

После выравнивания химических потенциалов, кинетическая энергия электронов на уровнях Ферми неодинакова: у электронов металла 1она равна , у электронов металла 2 она равна ().

При непосредственном контакте металлов это приводит к направлен-ной диффузии электронов из второго металла в первый и возникновению так называемой внутренней контактной разности потенциалов V_i (рис. 7.1.2,а), равной

(7.1.2)

Так как после установления равновесия плотность I тока в металлах равна нулю, то в соответствии с законом Ома (i=sE) электрическое поле Е в любой точке в толще металлов должно быть равно нулю. Это означает, что электрическое поле существует только в тонком пограничном слое между металлами, на котором локализована и вся внутренняя контактная разность потенциалов.