Какви са валентните електрони и електричната проводимост?

Какво са валентни електрони и електрична проводимост?

Определение на валентните електрони

Атомът е съставен от ядро, съдържащо протони и неутрони, с електрони в обвивки около него. Ядрото е положително заредено, а електроните са отрицателно заредени. Атомите са електрически нейтрални, тъй като имат равни бройки протони и електрони.

Електроните в атома са разположени в обвивки в зависимост от техните енергийни нива. Най-близката обвивка до ядрото има най-ниската енергия, докато най-отдалечената обвивка има най-високата енергия. Всяка обвивка има максимална капацитет за електрони: първата обвивка може да побере до 2, втората до 8 и така нататък.

Валентните електрони са електроните в най-външната обвивка на атомите. Те участват в химическите връзки и могат да бъдат влияни от електрически или магнитни полета. Броят на валентните електрони варира от 1 до 8, в зависимост от елемента.

Валентните електрони са важни за определянето на физическите, химическите и електрическите свойства на елемента. Елементите с подобни валентни електрони обикновено имат подобна реактивност и типове връзки. Различни бройки валентни електрони водят до различна електрическа проводимост и видове материали.

Електрична проводимост

Електричната проводимост измерва колко добре материал позволява електрическия ток да протече през него. Електрическият ток се състои от движещи се електрически заряди, обикновено носени от свободни електрони или иони. Материалите с висока проводимост лесно провеждат ток, докато материалите с ниска проводимост му противодействат.

Електричната проводимост на материал зависи от няколко фактора, такива като температурата, структурата, състава и чистотата му. Но един от най-важните фактори е броят и поведението на свободните електрони в материала.

Свободните електрони са валентни електрони, които не са силно свързани с родителските си атоми и могат да се движат свободно в материала. Това са електроните, които могат да реагират на приложено електрическо поле или потенциална разлика и да се преместят в една посока, създавайки електрически ток.

Броят и поведението на свободните електрони в материала се определят от броя на валентните електрони в съставящите го атоми. Обикновено материали с по-малко валентни електрони тенденцията е да имат повече свободни електрони, докато материали с повече валентни електрони тенденцията е да имат по-малко свободни електрони.

На основата на техната електрична проводимост и броя на валентните електрони, материалите могат да бъдат класифицирани в три основни групи: проводници, полупроводници и изолатори.

Проводници

Проводниците са материали, които имат висока електрична проводимост, тъй като имат много свободни електрони, които лесно могат да пренасят електрически ток. Проводниците обикновено имат един, два или три валентни електрона в своите атоми. Тези валентни електрони имат високо енергийно ниво и са слабо свързани с родителските си атоми. Те лесно могат да се отделят от атомите си или да се движат в материала, когато е приложено електрическо поле или потенциална разлика.

Повечето метали са добри проводници на електричество, тъй като имат малко валентни електрони в своите атоми. Например медта има един валентен електрон, магнезият има два валентни електрона, а алуминият има три валентни електрона. Тези метали имат много свободни електрони в кристалната си структура, които могат да се движат свободно, когато е приложено електрическо поле.

Някои неметали също могат да действат като проводници при определени условия. Например графит (форма на въглерода) има четири валентни електрона в своите атоми, но само три от тях са използвани за връзка с други въглеродни атоми в шестоъгълна решетка. Четвъртият валентен електрон е свободен да се движи по решетката, когато е приложено електрическо поле.

Полупроводници

Полупроводниците са материали, които имат умерена електрична проводимост, тъй като имат малко свободни електрони, които могат да пренасят електрически ток при определени условия. Полупроводниците са материали, които имат четири валентни електрона в своите атоми, като въглерод, силиций и германий. Тези валентни електрони са използвани за връзка с други атоми в регулярна решетка. Но при стаяна температура, някои от тези валентни електрони могат да получат достатъчно енергия, за да се освободят от своите връзки и да станат свободни електрони. Тези свободни електрони после могат да пренасят електрически ток, когато е приложено електрическо поле.

Обаче, броят на свободните електрони в чист полупроводник е много малък, а електричната проводимост е много слаба. Затова, полупроводниците често се допират с примесни атоми, които имат либо повече, либо по-малко валентни електрони от хост атомите. Това създава излишък или недостиг на свободни електрони в полупроводника, което увеличава неговата електрична проводимост.

Има два типа допиране: n-тип и p-тип. При допиране от n-тип, примесни атоми с пет валентни електрона, като фосфор или арсеник, се добавят към полупроводника. Тези атоми даряват един допълнителен валентен електрон на полупроводника, създавайки отрицателен заряден носител, наречен електрон. При допиране от p-тип, примесни атоми с три валентни електрона, като бор или галий, се добавят към полупроводника. Тези атоми приемат един валентен електрон от полупроводника, създавайки положителен заряден носител, наречен дупка.

Полупроводниците се използват широко в различни електронни устройства, като транзистори, диоди, сонячни клетки, светещи диоди (LED), лазери и интегрални схеми. Тези устройства използват уникалните свойства на полупроводниците, като способността им да сменят състоянията си между проводящи и изолиращи, чувствителността им към светлина и температура, и съвместимостта им с други материали.

Изолатори

Изолаторите са материали, които имат ниска електрична проводимост, тъй като имат много малко или никакви свободни електрони, които могат да пренасят електрически ток. Изолаторите обикновено имат пет или повече валентни електрона в своите атоми. Тези валентни електрони са силно свързани с родителските си атоми и изискват много енергия, за да бъдат отделени или възбудени. Затова, изолаторите не реагират на приложено електрическо поле или потенциална разлика и противодействат или блокират протичането на електрически ток.

Повечето неметали са добри изолатори на електричество, тъй като имат много валентни електрони в своите атоми. Например азотът има пет валентни електрона, сърата има шест валентни електрона, а неонът има осем валентни електрона. Тези елементи нямат свободни електрони в своите структури и не позволяват електрически ток да протече през тях.

Някои материали също могат да действат като изолатори при определени условия. Например стъклото и каучукът са добри изолатори при стаяна температура, но могат да станат проводници при високи температури, когато някои от техните валентни електрони получат достатъчно енергия, за да станат свободни електрони.

Изолаторите се използват главно за предотвратяване на протичането на електрически ток там, където не е желано или необходимо. Например, изолаторите се използват за покриване на жици и кабели, за да ги защитят от късо съединение и електрически удар. Изолаторите се използват също за разделение на различни части на електронно устройство или схема, за да предотвратят нежелано взаимодействие или интерференция.

Заключение

Валентните електрони са електроните в най-външната обвивка на атом, които могат да участват в химически връзки и електрически ток. Броят и разположението на валентните електрони определят много физически, химически и електрически свойства на елемента.

Електричната проводимост е мярка за това, колко добре материал позволява електрически ток да протече през него. Електричната проводимост зависи от няколко фактора, като броя и поведението на свободните електрони в материала.

На основата на техната електрична проводимост и броя на валентните електрони, материалите могат да бъдат класифицирани в три основни групи: проводници, полупроводници и изолатори.

Проводниците имат висока електрична проводимост, тъй като имат много свободни електрони, които лесно могат да пренасят електрически ток. Проводниците обикновено имат един, два или три валентни електрона в своите атоми.

Полупроводниците имат умерена електрична проводимост, тъй като имат малко свободни електрони, които могат да пренасят електрически ток при определени условия. Полупроводниците обикновено имат четири валентни електрона в своите атоми.

Изолаторите имат ниска електрична проводимост, тъй като имат много малко или никакви свободни електрони, които могат да пренасят електрически ток. Изолаторите обикновено имат пет или повече валентни електрона в своите атоми.

Тези материали имат различни приложения в различни електронни устройства, като транзистори, диоди, сонячни клетки, LED, лазери и интегрални схеми. Тези устройства използват уникалните свойства на тези материали, като способността им да сменят състоянията си между проводящи и изолиращи, чувствителността им към светлина и температура, и съвместимостта им с други материали.