ما هي الإلكترونات القيمية والموصلية الكهربائية؟

ما هي الإلكترونات القيمية والتوصيل الكهربائي؟

تعريف الإلكترونات القيمية

يتكون الذرة من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات، مع إلكترونات في أصداف حولها. النواة موجبة الشحنة، والإلكترونات سالبة الشحنة. تكون الذرات كهربائياً محايدة لأنها تحتوي على نفس عدد البروتونات والإلكترونات.

تُرتب الإلكترونات في الذرة في أصداف بناءً على مستوياتها الطاقية. الصدف الأقرب إلى النواة هو ذي أقل طاقة، بينما الصدف الأبعد هو ذي أعلى طاقة. لكل صدف سعة أقصى للإلكترونات: الصدف الأول يحتوي على ما يصل إلى 2، والثاني على ما يصل إلى 8 وهكذا.

الإلكترونات القيمية هي الإلكترونات في الصدف الخارجية للذرات. تشارك في الترابط الكيميائي ويمكن أن تتأثر بالحقول الكهربائية أو المغناطيسية. يختلف عدد الإلكترونات القيمية من 1 إلى 8، حسب العنصر.

الإلكترونات القيمية مهمة في تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتوصيل الكهربائي للعنصر. العناصر ذات الإلكترونات القيمية المتشابهة عادة ما يكون لها تفاعلية وتوصيل مماثل. يؤدي اختلاف عدد الإلكترونات القيمية إلى اختلاف في التوصيل الكهربائي وأنواع المواد.

التوصيل الكهربائي

يقيس التوصيل الكهربائي مدى قدرة المادة على السماح بتدفق التيار الكهربائي عبرها. يتكون التيار الكهربائي من شحنات كهربائية متحركة، عادة ما تحملها إلكترونات حرة أو أيونات. المواد ذات التوصيل العالي تسمح بسهولة بتدفق التيار، بينما تقاوم المواد ذات التوصيل المنخفض التيار.

يعتمد التوصيل الكهربائي للمادة على عدة عوامل، مثل درجة حرارتها وبنية تركيبها وتكوينها ونقاوتها. ومع ذلك، فإن أحد أهم العوامل هو عدد وسلوك الإلكترونات الحرة في المادة.

الإلكترونات الحرة هي الإلكترونات القيمية التي ليست مرتبطة بإحكام بأجسامها الأصلية ويمكنها التنقل بحرية داخل المادة. هذه هي الإلكترونات التي يمكن أن تستجيب لحقل كهربائي مطبق أو فرق جهد وتتحرك في اتجاه واحد، مما يخلق تياراً كهربائياً.

يحدد عدد وسلوك الإلكترونات الحرة في المادة بعدد الإلكترونات القيمية في ذراتها المكونة. بشكل عام، تميل المواد ذات الإلكترونات القيمية القليلة إلى أن يكون لديها المزيد من الإلكترونات الحرة، بينما تميل المواد ذات الإلكترونات القيمية الكثيرة إلى أن يكون لديها أقل عدد من الإلكترونات الحرة.

بناءً على توصيلها الكهربائي وعددها من الإلكترونات القيمية، يمكن تصنيف المواد إلى ثلاث مجموعات رئيسية: الموصلات والموصلات شبه الموصلة والعازلات.

الموصلات

الموصلات هي مواد ذات توصيل كهربائي عالي لأنها تحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة التي يمكنها بسهولة حمل تيار كهربائي. عادة ما تحتوي الموصلات على إلكترونات قيمة واحدة أو اثنتين أو ثلاث في ذراتها. هذه الإلكترونات القيمية ذات مستويات طاقة عالية ولا ترتبط بإحكام بأجسامها الأصلية. يمكنها بسهولة الانفصال عن ذراتها أو التنقل داخل المادة عند تطبيق حقل كهربائي أو فرق جهد.

معظم المعادن هي موصلات جيدة للتيار الكهربائي لأنها تحتوي على إلكترونات قيمة قليلة في ذراتها. على سبيل المثال، النحاس لديه إلكترون قيمة واحد، والمغنيسيوم لديه إلكترونان قيمة، والألومنيوم لديه ثلاثة إلكترونات قيمة. هذه المعادن تحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة في بنية البلورات التي يمكنها التنقل بحرية عند تطبيق حقل كهربائي.

بعض غير المعادن يمكن أن تعمل كموصلات تحت ظروف معينة. على سبيل المثال، الجرافيت (شكل من أشكال الكربون) لديه أربعة إلكترونات قيمة في ذراته، ولكن فقط ثلاثة منها تستخدم للربط مع ذرات الكربون الأخرى في شبكة هكساغونية. الإلكترون القيمة الرابع حر للتنقل على طول الشبكة عند تطبيق حقل كهربائي.

الموصلات شبه الموصلة

الموصلات شبه الموصلة هي مواد ذات توصيل كهربائي معتدل لأنها تحتوي على عدد قليل من الإلكترونات الحرة التي يمكنها حمل تيار كهربائي تحت ظروف معينة. الموصلات شبه الموصلة هي مواد تحتوي على أربعة إلكترونات قيمة في ذراتها، مثل الكربون والسيليكون والجرمانيوم. هذه الإلكترونات القيمية تستخدم للربط مع ذرات أخرى في بنية شبكيه منتظمة. ومع ذلك، عند درجة حرارة الغرفة، بعض هذه الإلكترونات القيمية يمكن أن تكتسب طاقة كافية لكسر روابطها وتصبح إلكترونات حرة. يمكن لهذه الإلكترونات الحرة حمل تيار كهربائي عند تطبيق حقل كهربائي.

ومع ذلك، فإن عدد الإلكترونات الحرة في الموصل شبه الموصل النقي منخفض جداً، والتوصيل الكهربائي ضعيف جداً. لذلك، غالباً ما يتم تلوين الموصلات شبه الموصلة بذرات غريبة تحتوي على إلكترونات قيمة أكثر أو أقل من الذرات المضيفة. هذا يخلق فائضاً أو نقصاً في الإلكترونات الحرة في الموصل شبه الموصل، مما يزيد من توصيله الكهربائي.

هناك نوعان من التلوين: n-type و p-type. في التلوين n-type، يتم إضافة ذرات غريبة تحتوي على خمسة إلكترونات قيمة، مثل الفوسفور أو الزرنيخ، إلى الموصل شبه الموصل. هذه الذرات تمنح إلكتروناً قيمياً إضافياً للموصل شبه الموصل، مما يخلق حامل شحنة سالبة يسمى إلكترون. في التلوين p-type، يتم إضافة ذرات غريبة تحتوي على ثلاثة إلكترونات قيمة، مثل البورون أو الجاليوم، إلى الموصل شبه الموصل. هذه الذرات تقبل إلكتروناً قيمياً من الموصل شبه الموصل، مما يخلق حامل شحنة موجبة يسمى ثقب.

تستخدم الموصلات شبه الموصلة على نطاق واسع في أجهزة إلكترونية مختلفة، مثل الترانزستورات والديودات وألواح الطاقة الشمسية والديودات الضوئية (LEDs) والليزر والدوائر المتكاملة. هذه الأجهزة تستغل الخصائص الفريدة للموصلات شبه الموصل، مثل قدرتها على التحويل بين حالات التوصيل والعزل، وحساسيتها للضوء والحرارة، ومتوافقيتها مع مواد أخرى.

العازلات

العازلات هي مواد ذات توصيل كهربائي منخفض لأنها تحتوي على عدد قليل جداً أو لا تحتوي على إلكترونات حرة يمكنها حمل تيار كهربائي. العازلات عادة ما تحتوي على خمسة أو أكثر من الإلكترونات القيمية في ذراتها. هذه الإلكترونات القيمية مرتبطة بإحكام بأجسامها الأصلية وتتطلب الكثير من الطاقة ليتم فصلها أو تهييجها. لذلك، لا تستجيب العازلات لحقل كهربائي مطبق أو فرق جهد وتقاوم أو تمنع تدفق التيار الكهربائي.

معظم غير المعادن هي عازلات جيدة للتيار الكهربائي لأنها تحتوي على العديد من الإلكترونات القيمية في ذراتها. على سبيل المثال، النيتروجين لديه خمسة إلكترونات قيمة، والكبريت لديه ستة إلكترونات قيمة، والنيون لديه ثمانية إلكترونات قيمة. هذه العناصر لا تحتوي على إلكترونات حرة في بنية وتمنع تدفق التيار الكهربائي عبرها.

بعض المواد يمكن أن تعمل كعازلات تحت ظروف معينة. على سبيل المثال، الزجاج والكاوتشوك هما عازلات جيدة عند درجة حرارة الغرفة ولكن يمكن أن يصبحا موصلات عند درجات الحرارة العالية عندما يكتسب بعض الإلكترونات القيمية طاقة كافية لتكون إلكترونات حرة.

تستخدم العازلات بشكل أساسي لمنع تدفق التيار الكهربائي حيث لا يُراد أو يحتاج. على سبيل المثال، تستخدم العازلات لتغطية الأسلاك والكابلات لحمايتها من الدوائر القصيرة والصدمات الكهربائية. تستخدم العازلات أيضاً لفصل أجزاء مختلفة من جهاز إلكتروني أو دائرة لمنع التفاعلات غير المرغوب فيها أو التداخل.

خاتمة

الإلكترونات القيمية هي الإلكترونات في الصدف الخارجية للذرة التي يمكن أن تشارك في الترابط الكيميائي وتوصيل التيار الكهربائي. يحدد عدد وترتيب الإلكترونات القيمية العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتوصيل الكهربائي للعنصر.

التوصيل الكهربائي هو قياس لمدى قدرة المادة على السماح بتدفق التيار الكهربائي عبرها. يعتمد التوصيل الكهربائي على عدة عوامل، مثل عدد وسلوك الإلكترونات الحرة في المادة.

بناءً على توصيلها الكهربائي وعددها من الإلكترونات القيمية، يمكن تصنيف المواد إلى ثلاث مجموعات رئيسية: الموصلات والموصلات شبه الموصلة والعازلات.

الموصلات لها توصيل كهربائي عالي لأنها تحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة التي يمكنها بسهولة حمل تيار كهربائي. عادة ما تحتوي الموصلات على إلكترونات قيمة واحدة أو اثنتين أو ثلاث في ذراتها.

الموصلات شبه الموصلة لها توصيل كهربائي معتدل لأنها تحتوي على عدد قليل من الإلكترونات الحرة التي يمكنها حمل تيار كهربائي تحت ظروف معينة. عادة ما تحتوي الموصلات شبه الموصلة على أربعة إلكترونات قيمة في ذراتها.

العازلات لها توصيل كهربائي منخفض لأنها تحتوي على عدد قليل جداً أو لا تحتوي على إلكترونات حرة يمكنها حمل تيار كهربائي. عادة ما تحتوي العازلات على خمسة أو أكثر من الإلكترونات القيمية في ذراتها.

تستخدم هذه المواد في تطبيقات مختلفة في أجهزة إلكترونية متعددة، مثل الترانزستورات والديودات وألواح الطاقة الشمسية والديودات الضوئية (LEDs) والليزر والدوائر المتكاملة. تستغل هذه الأجهزة الخصائص الفريدة لهذه المواد، مثل قدرتها على التحويل بين حالات التوصيل والعزل، وحساسيتها للضوء والحرارة، ومتوافقيتها مع مواد أخرى.