Sivut

Kommentit (22)

hmk
Seuraa 
Viestejä1060

Lukion ja yliopistonkin fysiikan kursseilla harvoin mainittu seikka on, että virtapiirien/kennojen/akkujen yhteydessä suureilla potentiaali ja jännite ei yleensä, tarkkaan ottaen, tarkoiteta sähköistä potentiaalia V = Epot/(-e) eikä sähköistä potentiaalieroa U = V2 - V1 = [Epot(2) - Epot(1)]/(-e), missä Epot on sähköinen potentiaalienergia. Tarkastellaan seuraavassa tätä problematiikkaa hieman tarkemmin.

Olkoon μ = dG/dN elektronin kemiallinen potentiaali tarkastellussa virtapiirin osassa, missä G = virtapiirin Gibbsin energia, N = elektronien lukumäärä tarkastellussa virtapiirin osassa, ja derivaattaa laskettaessa Gibbsin energian muut luonnolliset muuttujat (kuten lämpötila ja paine) pidetään vakiona. Näin määritellyn kemiallisen potentiaalin yksikkö on joule [J] (kemiassa kemialliset potentiaalit määritellään usein ekvivalentisti partiaalisina moolisuureina dG/dn, missä n on tarkastellun hiukkasen ainemäärä, jolloin yksiköksi tulee J/mol).

Elektronin kemiallinen potentiaali voidaan lausua volteissa, kun em. suure μ = dG/dN jaetaan elektronin varauksella (sillä J/C = V). Tämä on se suure, johon virtapiirien/kennojen/akkujen fysiikassa tyypillisesti viitataan termillä "potentiaali" ja jonka eroihin viitataan termillä "jännite" tai "potentiaaliero". Ko. suureet ovat muuten samat kuin tuossa ensimmäisessä kappaleessa esitetyt sähköisen potentiaalin ja -potentiaalieron lausekkeet, paitsi että elektronin sähköinen potentiaalienergia Epot on korvattu elektronin kemiallisella potentiaalilla μ:

V = μ/(-e) (+vakio)

U = V2 - V1 = [μ(2) - μ(1)]/(-e).

Kemiallisesta termodynamiikasta tiedetään, että yleisesti aine kulkeutuu kohti alempaa kemiallista potentiaalia. Esim. vesilasiin pudotettu elintarvikevärin pisara levittäytyy tasaisesti kaikkialle veteen (diffuusio), koska puhtaan veden ja laimean liuoksen alueella väriaineen kemiallinen potentiaali on alempi kuin väkevässä väriaineliuoksessa. Kemiallisen reaktion A --> B tapauksessa puolestaan reaktiota tapahtuu siihen suuntaan, missä saavutetaan alempi kemiallinen potentiaali, ja lopulta tasapainotilanteessa A:n ja B:n väkevyydet ovat sellaiset, että kemiallinen potentiaali on sama kummallakin puolella reaktioyhtälöä. Koska termodynamiikka on yleinen teoria, tämä yleinen tulos pätee myös elektronien kulkeutumiselle virtapiirin osasta toiseen: elektronit pyrkivät kohti alempaa elektronien kemiallista potentiaalia. Tämä synnyttää virtapiiriin sähkövirran. Huomionarvoista on, että tavalliset volttimittaritkin mittaavat suuretta [μ(2) - μ(1)]/(-e) eikä suuretta [Epot(2) - Epot(1)]/(-e), ks. esim.:

https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi_level#Voltage_measurement

Siis jos virtapiireissä jännite määritellään "suureeksi, jota jännitemittari mittaa", niin siinäkin tapauksessa kyseessä on elektronin kemiallisen potentiaalin eron mittaus (volteissa) eikä sähköisen potentiaalieron mittaus.

Fyysikoille olisi tietenkin kauhistus, jos jossain näin keskeisessä fysiikan suureessa esiintyisi sana "kemiallinen", joten siksi mieluummin hieman harhaanjohtavasti annetaan ymmärtää, että virtapiirien kohdalla V ja U olisivat "normaalit" sähköstatiikasta tutut sähköinen potentiaali ja sen erotus. Niissä tilanteissa kun kiinteän olomuodon fysiikassa on ihan pakko tehdä ero näiden suureiden välillä, niin fyysikot käyttävät elektronin kemiallisesta potentiaalista nimitystä "Fermi-taso". Crisis averted.

[Disclaimer: monessa tilanteessa tämä ero on merkityksetön, siis lähinnä vain pedanttinen. Mutta ei siis aina.]

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sivut

Suosituimmat

Uusimmat

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Uusimmat

Suosituimmat