Què són els electrons de valència i la conductivitat elèctrica?

Què són els electrons de valència i la conductivitat elèctrica?

Definició dels Electrons de València

Un àtom està format per un nucli que conté protons i neutrons, amb electrons en capes al voltant d'aquest. El nucli té càrrega positiva, mentre que els electrons tenen càrrega negativa. Els àtoms són elèctricament neutres perquè tenen igual nombre de protons i electrons.

Els electrons en un àtom es disposen en capes segons els seus nivells d'energia. La capa més propera al nucli té l'energia més baixa, mentre que la capa més llunyana té l'energia més alta. Cada capa té una capacitat màxima d'electrons: la primera capa pot contenir fins a 2, la segona fins a 8, i així successivament.

Els electrons de valència són els electrons en la capa més exterior dels àtoms. Participen en l'enllaç químic i poden ser influenciats per camps elèctrics o magnètics. El nombre d'electrons de valència varia de 1 a 8, depenent de l'element.

Els electrons de valència són crucials per determinar les propietats físiques, químiques i elèctriques d'un element. Elements amb electrons de valència similars solen tenir reactivitat i tipus d'enllaç similars. Diferents nombres d'electrons de valència resulten en conductivitats elèctriques i tipus de materials variats.

Conductivitat Elèctrica

La conductivitat elèctrica mesura quant bé un material permet que la corrent elèctrica flueixi a través seu. La corrent elèctrica consisteix en càrregues elèctriques en moviment, normalment portades per electrons lliures o ions. Els materials amb alta conductivitat facilment condueixen la corrent, mentre que els materials amb baixa conductivitat la resisten.

La conductivitat elèctrica d'un material depèn de diversos factors, com la seva temperatura, estructura, composició i puretat. No obstant això, un dels factors més importants és el nombre i comportament dels electrons lliures en el material.

Els electrons lliures són els electrons de valència que no estan estrictament lligats als seus àtoms pares i poden moure's lliurement dins del material. Són els electrons que poden respondre a un camp elèctric aplicat o a una diferència de potencial i desplaçar-se en una direcció, creant una corrent elèctrica.

El nombre i comportament dels electrons lliures en un material es determinen pel nombre d'electrons de valència en els seus àtoms constituents. Generalment, els materials amb menys electrons de valència tendeixen a tenir més electrons lliures, mentre que els materials amb més electrons de valència tendeixen a tenir menys electrons lliures.

Basant-se en la seva conductivitat elèctrica i el nombre d'electrons de valència, els materials es poden classificar en tres grups principals: conductors, semiconductors i aïllants.

Conductors

Els conductors són materials que tenen alta conductivitat elèctrica perquè tenen molts electrons lliures que poden portar fàcilment una corrent elèctrica. Normalment, els conductors tenen un, dos o tres electrons de valència en els seus àtoms. Aquests electrons de valència tenen nivells d'energia alts i estan poc lligats als seus àtoms pares. Poden desprendre's fàcilment dels seus àtoms o moure's dins del material quan s'aplica un camp elèctric o una diferència de potencial.

La majoria dels metalls són bons conductors d'electricitat perquè tenen pocs electrons de valència en els seus àtoms. Per exemple, el cobre té un electró de valència, el magnesi en té dos, i l'alumini en té tres. Aquests metalls tenen molts electrons lliures en la seva estructura cristal·lina que poden moure's lliurement quan s'aplica un camp elèctric.

Alguns no-metalls també poden actuar com a conductors en certes condicions. Per exemple, el graf (una forma de carboni) té quatre electrons de valència en els seus àtoms, però només tres d'ells s'utilitzen per enllaçar amb altres àtoms de carboni en una retícula hexagonal. El quart electró de valència és lliure per moure's al llarg de la retícula quan s'aplica un camp elèctric.

Semiconductors

Els semiconductors són materials que tenen conductivitat elèctrica moderada perquè tenen pocs electrons lliures que poden portar una corrent elèctrica en certes condicions. Els semiconductors són materials que tenen quatre electrons de valència en els seus àtoms, com el carboni, el silici i el germàni. Aquests electrons de valència s'utilitzen per enllaçar amb altres àtoms en una estructura reticular regular. No obstant això, a temperatura ambient, alguns d'aquests electrons de valència poden guanyar prou energia per trencar els seus enllaços i convertir-se en electrons lliures. Aquests electrons lliures llavors poden portar una corrent elèctrica quan s'aplica un camp elèctric.

No obstant això, el nombre d'electrons lliures en un semiconductor pur és molt baix, i la conductivitat elèctrica és molt pobra. Per tant, els semiconductors sovint es dopen amb àtoms d'impuretes que tenen més o menys electrons de valència que els àtoms hôstes. Això crea un excedent o una deficiència d'electrons lliures en el semiconductor, augmentant la seva conductivitat elèctrica.

Hi ha dos tipus de dopatge: n-tipus i p-tipus. En el dopatge n-tipus, s'afegeixen àtoms d'impuretes amb cinc electrons de valència, com el fòsfor o l'arsènic, al semiconductor. Aquests àtoms donen un electró de valència addicional al semiconductor, creant un portador de càrrega negativa anomenat electró. En el dopatge p-tipus, s'afegeixen àtoms d'impuretes amb tres electrons de valència, com el bori o el gali, al semiconductor. Aquests àtoms accepten un electró de valència del semiconductor, creant un portador de càrrega positiva anomenat forat.

Els semiconductors s'utilitzen ampliament en diversos dispositius electrònics, com transistors, diodes, cèl·lules solars, diodes emissor de llum (LED), lasers i circuits integrats. Aquests dispositius exploten les propietats úniques dels semiconductors, com la seva capacitat de canviar entre estats conductors i aïllants, la seva sensibilitat a la llum i la temperatura, i la seva compatibilitat amb altres materials.

Aïllants

Els aïllants són materials que tenen baixa conductivitat elèctrica perquè tenen molt pocs o cap electron lliure que pugui portar una corrent elèctrica. Normalment, els aïllants tenen cinc o més electrons de valència en els seus àtoms. Aquests electrons de valència estan fortement lligats als seus àtoms pares i requereixen molta energia per ser deslliurats o excitats. Per tant, els aïllants no responen a un camp elèctric aplicat o a una diferència de potencial i resisten o bloquegen el flux de la corrent elèctrica.

La majoria dels no-metalls són bons aïllants d'electricitat perquè tenen molts electrons de valència en els seus àtoms. Per exemple, el nitrogen té cinc electrons de valència, el sulfú en té sis, i el neó en té vuit. Aquests elements no tenen electrons lliures en la seva estructura i no permeten que la corrent elèctrica flueixi a través seus.

Alguns materials també poden actuar com aïllants en certes condicions. Per exemple, el vidre i el caucho són bons aïllants a temperatura ambient, però poden convertir-se en conductors a temperatures altes quan alguns dels seus electrons de valència guanyen prou energia per convertir-se en electrons lliures.

Els aïllants s'utilitzen principalment per prevenir que la corrent elèctrica flueixi on no es desitja o necessita. Per exemple, els aïllants s'utilitzen per revestir fils i cables per protegir-los de curts circuits i xocs elèctrics. També s'utilitzen per separar diferents parts d'un dispositiu electrònic o circuit per evitar interaccions o interferències indesitjades.

Conclusió

Els electrons de valència són els electrons en la capa més exterior d'un àtom que poden participar en l'enllaç químic i la corrent elèctrica. El nombre i disposició dels electrons de valència determinen moltes propietats físiques, químiques i elèctriques d'un element.

La conductivitat elèctrica és una mesura de com de ben un material permet que una corrent elèctrica flueixi a través seu. La conductivitat elèctrica depèn de diversos factors, com el nombre i comportament dels electrons lliures en el material.

Basant-se en la seva conductivitat elèctrica i el nombre d'electrons de valència, els materials es poden classificar en tres grups principals: conductors, semiconductors i aïllants.

Els conductors tenen alta conductivitat elèctrica perquè tenen molts electrons lliures que poden portar fàcilment una corrent elèctrica. Normalment, els conductors tenen un, dos o tres electrons de valència en els seus àtoms.

Els semiconductors tenen conductivitat elèctrica moderada perquè tenen pocs electrons lliures que poden portar una corrent elèctrica en certes condicions. Normalment, els semiconductors tenen quatre electrons de valència en els seus àtoms.

Els aïllants tenen baixa conductivitat elèctrica perquè tenen molt pocs o cap electron lliure que pugui portar una corrent elèctrica. Normalment, els aïllants tenen cinc o més electrons de valència en els seus àtoms.

Aquests materials tenen diferents aplicacions en diversos dispositius electrònics, com transistors, diodes, cèl·lules solars, LEDs, lasers i circuits integrats. Aquests dispositius exploten les propietats úniques d'aquests materials, com la seva capacitat de canviar entre estats conductors i aïllants, la seva sensibilitat a la llum i la temperatura, i la seva compatibilitat amb altres materials.