МЕНЮ

Контактная разность потенциалов (фотонная концепция)

В данной работе показана некорректность модели свободного электрона для интерпретации явления контактной разности потенциалов. В качестве альтернативы предложена фотонная концепция, на основании которой показано, что контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации генерируемых фотонов, обусловленной уникальными энергетическими спектрами атомов вещества.

Введение. Контактная разность потенциалов [1] — разность электрических потенциалов, возникающая между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия.

В 1800 г. А. Вольта — итальянский физикхимик и физиолог, в отличие от теории «живого электричества» Л. Гальвани,  предложил свою теорию «металлического» (впоследствии оно было названо гальваническим) электричества. Согласно этой теории, гальванический электрический ток возникает в результате контакта двух разных металлов (например, железа и меди). Проведя серию экспериментов с проводниками, изготовленными из металлов разного рода, Вольта сумел доказать, что при контакте двух неодинаковых по происхождению металлов один из них становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным. Это открытие итальянского физика и получило название контактная разность потенциалов. Сам Вольта описывал это понятие, как разность напряжений металлов. [2].

В современных условиях это понятие играет важную роль в физике твёрдого тела и её приложениях. Оно оказывает заметное влияние на работу электровакуумных приборов, используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Явление возникновения контактной разности потенциалов лежит в основе термоэлектрических эффектов, разрешающее создание таких устройств как термопары.  Внутренняя  контактная разность потенциалов как функция температуры дает возможность применять их для дистанционного контроля температуры (например, в загазованных помещениях) и т.д.

Однако особую важность это понятие приобретает в одном из новейших научных направлений современности – нанофизике и наноэлектронике [3].

Вместе с тем физическая сущность этого явления и механизм его возникновения все еще носят характер предположения и не соответствуют потребностям современной физики. В курсе общей физики, например [4],  возникновение контактной разности потенциалов рассматривается как  следствие двух причин:

1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно. Поэтому между двумя металлами при их контакте возникает разность потенциалов, равная

U’ = (А21)/е,

где А1и А2— работа выхода соответственно первого и второго металлов, е — заряд электрона;

2) различная концентрация свободных электронов в металлах.  При соприкосновении двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретет положительный заряд. Другой металл, имеющий меньшую концентрацию электронов вследствие их диффузии, зарядится отрицательно.

Переход электронов и рост напряжения прекратятся, когда электрические силы уравновесятся сторонними силами, вызывающими диффузию свободных электронов. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии свободных электронов, равна

U» = kT/e * ln n1/n2,

где k — постоянная Больцмана, е — заряд электрона, n1и n2 — концентрации свободных электронов соответственно в первом и втором металлах.

Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, будет равна

U = U’ + U» = (А21)/е + kT/e * ln n1/n2.

Согласно определению классической физики [5] электрон  — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества.

Диффузия [6]  (от лат. diffusio распространение, растекание) взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия свободных электронов это движение электронов, т. е. движение структурных единиц вещества, в соответствии с которым должны происходить изменения физико-химических свойств вещества (согласно определению). С другой стороны, движение свободных электронов образует электрический ток. В 1901 г. немецкий физик К Рикке провел опыт [7]  по установлению носителя электрического заряда и решения проблемы:  чем обусловлен электрический ток?, на основании которого был сделан вывод, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлических проводников никаких изменений в проводниках не произошло. … электрический ток в цепи не сопровождается переносом вещества, а носителями электрического тока в металлах является то общее, что присутствует во всех металлах.

Очевидно, что интерпретация контактной разности потенциалов  за счет диффузии свободных электронов противоречит как классическому определению понятия “электрон”, так и опыту Рикке, в соответствии с чем несостоятельна. Кроме того,

существуют варианты контактов различных металлов, когда диффузия свободных электронов не может осуществляться. В частности, в работе [8]  было показано, что в двух проводниках, один из серебра, другой из золота, при равных геометрических параметрах и прочих условиях, концентрация валентных электронов одинаковая, т. е. диффузия практически не реализуема.

Таким образом, основной причиной контактной разности потенциалов становится работа выхода электрона. Согласно современным представлениям [9]:  работа выхода  — энергия, которая затрачивается твёрдым или жидким телом при тепловом возбуждении электрона этого тела в вакууме (в состояние с равной нулю кинетической энергией). Работа выхода равна разности двух энергий: 1) энергии покоящегося электрона, находящегося в такой точке вне тела, которая, с одной стороны, удалена от поверхности тела на расстояние, во много раз превышающее межатомные расстояния, а с другой стороны, гораздо ближе к рассматриваемой поверхности тела, чем к другим телам и к краю этой поверхности (в частности, эта точка должна быть далека от края рассматриваемой кристаллической грани); 2) электрохимический потенциала электронов в рассматриваемом теле, который в состоянии термодинамического равновесия одинаков во всех точках тела. Если электростатический потенциал в вакууме в указанной точке равен φвак, в объёме тела — φоб, Еф — ферми-энергия электронов (уровень их хим. потенциала),  Еф — е φоб — эл—хим. потенциал электронов в рассматриваемом теле, то работа выхода равна

            Ф = — е φвак  — (Еф — е φоб).

Работу выхода  измеряют по температурной зависимости и по величине термоэмиссионного тока; в металлах и вырожденных полупроводниках — по красной границе внешнего фотоэффекта, а также по измерению контактной разности

потенциалов между исследуемым телом и другим телом, работа выхода которого известна. [9, 10]  При этом наблюдается существенный разброс параметров различных методик измерения, например,  у золота 2,0 – 5,45 эВ, серебра  3,09 – 4,97 эВ. [11]

В работе  [12] было показано, что энергия связи электрона с протоном протон-электронных пар, которые образуют внешний слой атомов вещества находится в пределах 34,65 – 322,7 КэВ. Для отрыва электрона из данных протон-электронных пар потребуется приложить энергию не меньшую энергии связи, которая  в дес. – сотни тысяч раз будет больше работы выхода.

Отсутствие единой методики измерения работы выхода, несовершенство существующих методик, а также несоответствие значений работы выхода электронов и энергии связи электрона в протон-электронной паре указывают на некорректность интерпретации контактной разности потенциалов за счет работы выхода электрона. В этой связи становится актуальной задача поиска концепции интерпретации контактной разности потенциалов, свободной  от выше указанных недостатков.

 

Фотонная концепция. Теоретическая часть. В результате действия внешних и внутренних факторов (температуры, магнитных и электрических сил, излучения и т. д.) на проводник, в нем протекают процессы поглощения-генерации фотонов, которые обуславливают появление в проводнике фотонов. Условием генерации новых фотонов в проводнике является неравенство Евн. ≥ Еф., где Евн. – энергия внешних и внутренних факторов, Еф – энергия генерируемых фотонов.

Энергетическая структура каждого атома вещества характеризуется  соответствующими уникальными спектрами излучения и поглощения.

По определению [13], спектральная плотность энергии излучения uω = ћωnω = hνnω  или uλ = hc/λ nλ, где h – постоянная Планка, с – скорость света. Согласно этому распределению число фотонов  nф в единице объема пространства, обладающих энергией в интервале длин волн от λ до λ + dλ, выражается формулой:

λ2               λ2                                        λ2

nф = ∫ nλdλ = ∫ uλλ/hc dλ = 1/hc ∫ uλλ dλ.                                    (1)

λ1               λ1                                        λ1

Найдем интеграл (1):

nф = 1/3hc  uλ (3λ2 – λ3) ≈ 1/3hc  uλ ( – λ3).                               (2)

Выражение (2) показывает, что количество генерируемых фотонов в проводнике определяется спектральной плотностью энергии излучения данного проводника и длиной волны генерируемых фотонов. Знак минус указывает на то, что с увеличением длины волны фотона количество генерируемых фотонов уменьшается. Так как спектральная плотность каждого проводника характеризуется диапазоном длин волн, то наименьшее количество генерируемых фотонов будет определяться энергией фотонов максимальной длины волны, которая интерпретируется в современной физике как красная граница фотоэффекта.

Спектральная плотность любого атома вещества характеризуется линейчатым спектром. Для определения общего количества генерируемых фотонов nф в конкретном проводнике, необходимо просуммировать значения генерируемых фотонов для каждого значения длины волны линейчатого спектра.

Каждый фотон характеризуется величиной электрического заряда. Для простоты будем считать величину электрического заряда е для фотонов разных длин волн одинаковой. Тогда электрический потенциал в объеме проводника будет определяться выражением φоб = nф е.

Ввиду уникальности спектральных характеристик для различных металлов в объеме проводников будут формироваться  разные по величине электрические потенциалы.

Тогда при  контакте двух металлов возникнет разность потенциалов, равная

U’ = φоб2 — φоб1,                                                (3)

Электрический потенциал проводника характеризует потенциальную энергию, образуемую сгенерированными фотонами Еф = φоб е. Соответственно контактная разность потенциалов может быть выражена следующим образом

U’ = (Еф2 — Еф1)/е,                                            (4)

где Еф1 и Еф2 — энергетические спектры энергии поглощения (излучения) соответственно первого и второго металлов, е — заряд фотона.

Таким образом, контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации, обусловленной генерацией фотонов в проводниках внешними и внутренними факторами.

В нормальных условиях  (физ. условия, определяемые давлением р = 101 325 Па (760 мм рт. ст., нормальная атмосфера) и температурой t = 273,15 К (0°С), при которых молярный объём газа V0 = 2,2414-10-2 м3/моль. [14]) в естественной среде  внешним фактором всегда является температура. Оценим вклад энергии, которая характеризуется температурой  Т = 300 К:

Ет =3/2 kT ≈ 0,03875 эВ.

Согласно спектральным характеристикам, например [15], известен фотон с максимальной длиной волны (у водорода) равной  19056,9 нм. Энергия генерируемой пары этих фотонов равна ≈ 0,065 эВ. У металлов красная граница фотоэффекта значительно меньшей длины волны, чем у водорода.  Например, для натрия  она равна 9085 нм, что соответствует энергии 0,136 эВ. Таким образом, вклад температурной составляющей при генерации фотонов, например,  у натрия (Ет ≈ 0,03875 эВ << ЕN ≈ 0,136 эВ) незначителен и не может быть причиной контактной разности потенциалов.

В нормальных естественных условиях, при которых наблюдается контактная разность потенциалов, из выше указанных факторов, остается только один, способный осуществить генерацию фотонов в проводниках, это внутриатомная магнитная сила, образуемая протонами нейтронов, контактируемых  атомов вещества.

Механизм генерации фотонов при контакте двух металлов заключается в следующем. Известно [16, 17], что нейтрон это протон-электронная пара, у которой электрон находится на “нулевой” орбите, т. е. в непосредственной близости от тела протона, разделенного пограничным слоем. В таком состоянии нейтрон может находиться только в составе ядра атома вещества. Основным функциональным назначением нейтрона является сцепление и удержание всех протонов атома в ядре за счет магнитных сил притяжения. Магнитная сила имеет характер притяжения вследствие синфазности вращения протонов протон-электронных пар и нейтронов. При контакте двух металлов магнитная сила нейтрона оказывает также влияние на рядом расположенный атом другого металла. Так как эта магнитная сила имеет характер притяжения, то нейтрон притягивает к себе электрон атома другого металла, вследствие чего электрон отдаляется от собственного протона. Отдаление электрона от протона в протон-электронной паре это и есть процесс возбуждения протон-электронной пары. Вследствие закона сохранения количества момента вращения у протон-электронной пары изменение радиуса траектории движения электрона (в процессе возбуждения она увеличивается) уменьшается круговая скорость вращения и увеличивается масса протон-электронной пары. Увеличение массы идет на формирование тел пары фотонов, которые при выполнении условия Евн. ≥ Еф излучаются в пространство (генерируются). Экспериментально это подтверждается наблюдаемыми спектрами излучения атомов вещества. [10, 15]

Из механизма контактной разности потенциалов следует, что для ее существование определяющее значение имеет электронная конфигурация атомов вещества [18].  Анализ известного электрохимического ряда  активности металлов[19]: LiRbKBaSrCaNa→…Cr →AgPdPtAu  — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ0 показывает, что наиболее активным в химическом отношении и имеющим наименьшее значение потенциала (-3,0401 В) являтся  третий элемент периодической таблицы химических элементов – литий Li, состоящий из трех протон-электронных пар и трех нейтронов. Последним в указанном ряду является золото Au (+1,691 В),  — элемент 11 группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы первой группы), шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 79, имеющий соответственно 79 протон-электронных пар и 118 нейтронов.

В самом общем виде ясно, что металлы, находящиеся в начале периодов характеризуются низкими значениями электрохимических потенциалов и занимают места в левой части ряда напряжений. При этом чередование щелочных и щёлочноземельных металлов отражает явление диагонального сходства. Металлы, расположенные ближе к серединам периодов, характеризуются большими значениями потенциалов и занимают места в правой половине ряда. Последовательное увеличение электрохимического потенциала (от -3,0401 В у Li до +1,691 В у Au) отражает уменьшение восстановительной активности металлов (свойство генерировать фотоны) и усиление окислительной способности их катионов (свойство поглощать фотоны). Таким образом, самым сильным восстановителем является металлический литий, а самым сильным окислителем — катионы золота Au+.

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися проводниками было открыто А. Вольта. Он экспериментально установил два закона, носящие его имя:

  1. При контакте двух разных металлов между ними возникает разность потен-

циалов, зависящая от их химического состава и температуры;

  1. Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из

нескольких, последовательно соединенных металлических проводников, которые

находятся при одинаковой температуре, не зависит от промежуточных проводни-

ков и полностью определяется контактной разностью потенциалов крайних

проводников.

Фотонная концепция контактной разности потенциалов позволяет уточнить сущность этих законов. В частности, в законе (1) под термином “химический состав” следует понимать “электронная конфигурация” химических элементов. Закон (2) подтверждается выше приведенным выражением (3).

 

Выводы. Современная интерпретация контактной разности потенциалов основана на мифологии модели свободного электрона и в не состоянии раскрыть механизм и физическую сущность этого явления.

В качестве альтернативы предложена фотонная концепция интерпретации контактной разности потенциалов, на основании которой показано, что контактная разность потенциалов двух металлических проводников образуется за счет различной концентрации генерируемых фотонов, обусловленной уникальной электронной конфигурацией атомов вещества, формирующей уникальные энергетические спектры.

Понятие работа выхода электрона не корректно и является подменой понятия красная граница фотоэффекта – энергия фотона максимальной длины волны линейчатого энергетического спектра атома вещества.

Наиболее достоверным способом измерения величины работы выхода на сегодняшний день является методика определения по красной границе фотоэффекта.

При нормальных условиях определяющим фактором контактной разности потенциалов являются внутриатомные магнитные силы, образуемые нейтронами атомов контактируемых проводников.

 

Литература:

  1. http://femto.com.ua/articles/part_1/1734.html Контактная разность потенциалов.
  2. http://www.sonel.ru/ru/biblio/article/exploration-voltage/printable.php Первые исследования электрического напряжения.
  3. https://elementy.ru/video/118/Nanotekhnologii_i_nanofizika_otkrytiya_i_perspektivy Лозовик Ю.И. Нанотехнологии и нанофизика — открытия и перспективы.
  4. Шубин А. С. Курс общей физики. Учебн. пособие для инж.- эконом. специальностей вузов. Изд. 2-е М., «Высш. школа», 1976. 480 с.
  5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электрон.
  6. https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/84943/Диффузия.
  7. Чабанов В. Е. Курс лекций по физике твердого тела для технических вузов. Учебное пособие. Изд.: БХВ-Петербург, 2011, 144 с.
  8. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В.  Физическая сущность электрического сопротивления.
  9. http://femto.com.ua/articles/part_2/3207.html Работа выхода.
  10. Физические величины: Справочник/А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под. ред. И. С. Григорьева, Ё. 3. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
  11. ФоменкоВ.С. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1981. — 339 с.
  12. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ.
  13. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Энергия излучения.
  14. http://femto.com.ua/articles/part_2/2520.html НОРМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ.
  15. Таблицы спектральных линий атомов и ионов. Справочник / А. Р. СтригановГ. А. Одинцова. – М. : Энергоиздат, 1982 . – 312 с.
  16. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
  17. http://logicphysic.narod.ru/ ЯковлевВ. В. Логика явлений.
  18. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электронная конфигурация.
  19. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электрохимический ряд активности металлов.

Лямин В.С. , Лямин Д. В.  г. Львов

 

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи