Τι είναι ηλεκτρικοί διαχωδικοί;

Τι είναι ηλεκτρικοί διαγωγείς;

Ορισμός Ηλεκτρικού Διαγωγέα

Ο ηλεκτρικός διαγωγέας ορίζεται ως υλικό που επιτρέπει την εύκολη ροή ηλεκτρικής φορτίας κυρίως λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων.

Ο ηλεκτρικός διαγωγέας ορίζεται ως αντικείμενο ή είδος υλικού που επιτρέπει τη ροή φορτίου σε μία ή περισσότερες κατευθύνσεις. Τα υλικά από μέταλλα είναι κοινοί ηλεκτρικοί διαγωγείς, καθώς τα μέταλλα έχουν υψηλή διαγωγικότητα και χαμηλή αντίσταση.

Οι ηλεκτρικοί διαγωγείς επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν μεταξύ ατόμων με ταχύτητα στροβίλησης μέσα στην ζώνη διαγωγής, ένα συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας που υποστηρίζει την ελεύθερη κίνηση ηλεκτρονίων. Αυτοί οι διαγωγείς αποτελούνται από άτομα με ελεύθερα βαλεντεριακά ηλεκτρόνια που μπορούν εύκολα να ενεργοποιηθούν από ηλεκτρική ή θερμική επίδραση. Η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από την ζώνη βαλεντερίου στην ζώνη διαγωγής αφήνει πίσω ένα θετικό τρύπα, το οποίο συμβάλλει επίσης στη ροή φορτίου.

Οι ηλεκτρικοί διαγωγείς μπορεί να είναι μέταλλα, συνθέτες μετάλλων, ηλεκτρολύτες ή κάποια μη-μέταλλα όπως ο γραφίτης και οι διάγωγοι πολυμερή. Αυτά τα υλικά επιτρέπουν στην ηλεκτρική ενέργεια (δηλαδή, τη ροή φορτίου) να περνά από αυτά εύκολα.

Οι Διαγωγείς Διαγωγούν Ρεύμα

Το ρεύμα σε έναν διαγωγέα αντιπροσωπεύει το ρυθμό με τον οποίο το φορτίο ρέει μέσω της διατομής του, άμεσα ανάλογο τόσο με το ηλεκτρικό πεδίο όσο και με τη διαγωγικότητα του διαγωγέα. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο προέρχεται από μια διαφορά τάσης μεταξύ του διαγωγέα, ενώ η διαγωγικότητα καταμετρά την ευκολία με την οποία το υλικό επιτρέπει τη ροή φορτίου.

Όταν εφαρμόζεται μια διαφορά δυναμικού σε έναν διαγωγέα, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη διαγωγής αποκτούν ενέργεια και ξεκινούν να διαστρέφονται από τον αρνητικό στόχο προς τον θετικό στόχο της πηγής τάσης. Η κατεύθυνση του ρεύματος είναι αντίθετη με την κατεύθυνση ροής των ηλεκτρονίων, καθώς το ρεύμα ορίζεται ως ροή θετικού φορτίου. Τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα και άλλα ηλεκτρόνια στον διαγωγέα, το οποίο προκαλεί αντίσταση και παραγωγή θερμότητας. Η αντίσταση είναι μέτρο του πόσο αντιτίθεται το υλικό στη ροή φορτίου μέσα από αυτό.

Το ρεύμα σε έναν διαγωγέα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως:

• Η διαφορά δυναμικού μεταξύ του διαγωγέα

• Η μήκος και η διατομή του διαγωγέα

• Η θερμοκρασία και η σύνθεση του υλικού

• Η παρουσία ρυπαντών ή ελλείψεων στο υλικό

Ιδιότητες Ηλεκτρικών Διαγωγείων

• Έχουν υψηλή διαγωγικότητα και χαμηλή αντίσταση

• Έχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια στην ζώνη διαγωγής τους

• Δεν έχουν ενεργειακό χάσμα μεταξύ της ζώνης βαλεντερίου και της ζώνης διαγωγής

• Έχουν μεταλλικές δεσμεύσεις που σχηματίζουν μία κατανομή θετικών ιόντων περιβαλλόμενη από μεγάλη νεφέλη ηλεκτρονίων

• Έχουν μηδενικά ηλεκτρικά πεδία και μηδενική πυκνότητα φορτίου μέσα τους

• Έχουν ελεύθερα φορτία μόνο στην επιφάνεια τους

• Έχουν ηλεκτρικό πεδίο κάθετο στην επιφάνεια τους

Τύποι Διαγωγείων

Ομικοί Διαγωγείς

Οι ομικοί διαγωγείς είναι υλικά που ακολουθούν τον Ομικό νόμο για οποιαδήποτε διαφορά δυναμικού και θερμοκρασία. Έχουν γραμμική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος, το οποίο σημαίνει ότι η αντίστασή τους είναι σταθερή. Περισσότερα μέταλλα είναι ομικοί διαγωγείς σε κανονικές συνθήκες.

Μη-Ομικοί Διαγωγείς

Οι μη-ομικοί διαγωγείς είναι υλικά που δεν ακολουθούν τον Ομικό νόμο για οποιαδήποτε διαφορά δυναμικού ή θερμοκρασία. Έχουν μη-γραμμική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος, το οποίο σημαίνει ότι η αντίστασή τους μεταβάλλεται με την εφαρμοσμένη τάση. Οι μη-ομικοί διαγωγείς μπορεί να εμφανίσουν αρνητική αντίσταση, όπου το ρεύμα μειώνεται όταν η τάση αυξάνεται, ή θετική αντίσταση, όπου το ρεύμα αυξάνεται όταν η τάση αυξάνεται, αλλά όχι ανάλογα. Κάποιοι μη-ομικοί διαγωγείς μπορεί να έχουν και ένα κατώφλι τάσης, κάτω από το οποίο δεν ρέει κανένα ρεύμα.

Στερεοί Διαγωγείς

Οι στερεοί διαγωγείς είναι υλικά που έχουν σταθερή μορφή και όγκο. Μπορούν να χωριστούν σε μεταλλικούς και μη-μεταλλικούς διαγωγείς.

• Μεταλλικοί διαγωγείς: Είναι μέταλλα ή σύνθετα μετάλλων που έχουν υψηλή διαγωγικότητα και χαμηλή αντίσταση. Έχουν μία κατανομή θετικών ιόντων περιβαλλόμενη από θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων. Κάποια παραδείγματα μεταλλικών διαγωγείων είναι το αργυρό, το χάλυβα, το χρυσό, το αλουμίνι, το σίδηρο, το μπρούτζ, το βρονζίνιο, κλπ.

• Μη-μεταλλικοί διαγωγείς: Είναι μη-μέταλλα που έχουν κάποια ελεύθερα ηλεκτρόνια ή ιόντα στη δομή τους. Έχουν χαμηλότερη διαγωγικότητα και υψηλότερη αντίσταση από τα μέταλλα. Κάποια παραδείγματα μη-μεταλλικών διαγωγείων είναι ο γραφίτης, οι καρβόνιοι νανοσωλοί, ο γραφήνιος, κλπ.

Υγροί Διαγωγείς

• Υγροί διαγωγείς: είναι υλικά που δεν έχουν σταθερή μορφή αλλά σταθερό όγκο. Μπορούν να χωριστούν σε μεταλλικούς και μη-μεταλλικούς διαγωγείς.

• Μεταλλικοί διαγωγείς: Είναι μέταλλα που είναι σε υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου ή όταν θερμαίνονται. Έχουν υψηλή διαγωγικότητα και χαμηλή αντίσταση. Έχουν παρόμοια δομή με