Co jsou valenční elektrony a elektrická vodivost?

Co jsou valenční elektrony a elektrická vodivost?

Definice valenčních elektronů

Atom se skládá z jádra obsahujícího protony a neutrony, s elektrony v oblacích kolem něj. Jádro je kladně nabité, zatímco elektrony jsou záporně nabité. Atomy jsou elektricky neutrální, protože mají stejný počet protonů a elektronů.

Elektrony v atomu jsou uspořádány do oblaců podle jejich energetických úrovní. Nejbližší obal k jádru má nejnižší energii, zatímco nejdál od jádra ležící obal má nejvyšší energii. Každý obal má maximální kapacitu pro elektrony: první obal může obsahovat až 2, druhý až 8 atd.

Valenční elektrony jsou elektrony v nejvnějším obalu atomů. Účastní se chemické vazby a mohou být ovlivněny elektrickými či magnetickými poli. Počet valenčních elektronů se pohybuje od 1 do 8, v závislosti na prvku.

Valenční elektrony jsou klíčové pro určení fyzikálních, chemických a elektrických vlastností prvku. Prvky s podobným počtem valenčních elektronů obvykle mají podobnou reaktivitu a typy vazeb. Různý počet valenčních elektronů vede k různé elektrické vodivosti a typům materiálů.

Elektrická vodivost

Elektrická vodivost měří, jak dobře materiál umožňuje proudit elektrický proud. Elektrický proud se skládá z pohybujících se elektrických nábojů, obvykle neseny volnými elektrony nebo ionty. Materiály s vysokou vodivostí snadno vedou proud, zatímco materiály s nízkou vodivostí ho odporují.

Elektrická vodivost materiálu závisí na několika faktorech, jako je teplota, struktura, složení a čistota. Jedním z nejdůležitějších faktorů je však počet a chování volných elektronů v materiálu.

Volné elektrony jsou valenční elektrony, které nejsou pevně vázány na své mateřské atomy a mohou se volně pohybovat uvnitř materiálu. Tyto elektrony mohou reagovat na aplikované elektrické pole nebo rozdíl potenciálů a pohybovat se směrem jedné strany, vytvářejí tak elektrický proud.

Počet a chování volných elektronů v materiálu jsou určeny počtem valenčních elektronů v jeho složkových atomech. Obecně materiály s menším počtem valenčních elektronů mají více volných elektronů, zatímco materiály s větším počtem valenčních elektronů mají méně volných elektronů.

Na základě své elektrické vodivosti a počtu valenčních elektronů lze materiály rozdělit do tří hlavních skupin: vodiče, polovodiče a izolátory.

Vodiče

Vodiče jsou materiály s vysokou elektrickou vodivostí, protože mají mnoho volných elektronů, které mohou snadno nést elektrický proud. Vodiče obvykle mají jeden, dva nebo tři valenční elektrony v atomech. Tyto valenční elektrony mají vysoké energetické úrovně a jsou slabě spojené s jejich mateřskými atomy. Mohou se snadno oddělit od svých atomů nebo se pohybovat uvnitř materiálu, když je aplikováno elektrické pole nebo rozdíl potenciálů.

Většina kovů je dobrými vodiči elektřiny, protože mají malý počet valenčních elektronů v atomech. Například měď má jeden valenční elektron, hořčík má dva valenční elektrony a hliník má tři valenční elektrony. Tyto kovy mají mnoho volných elektronů ve své krystalové struktuře, které se mohou volně pohybovat, když je aplikováno elektrické pole.

Některé netrpělivé látky mohou také fungovat jako vodiče za určitých podmínek. Například grafit (forma uhlíku) má čtyři valenční elektrony v atomech, ale pouze tři z nich jsou použity pro vazbu s dalšími uhlíkovými atomy v šestiúhelníkové mřížce. Čtvrtý valenční elektron je volný a může se pohybovat podél mřížky, když je aplikováno elektrické pole.

Polovodiče

Polovodiče jsou materiály s střední elektrickou vodivostí, protože mají malý počet volných elektronů, které mohou nést elektrický proud za určitých podmínek. Polovodiče jsou materiály, které mají čtyři valenční elektrony v atomech, jako jsou uhlík, křemík a germanium. Tyto valenční elektrony jsou použity pro vazbu s dalšími atomy v pravidelné mřížce. Nicméně, při pokojové teplotě některé z těchto valenčních elektronů mohou získat dostatek energie, aby se osvobodily ze svých vazeb a staly se volnými elektrony. Tyto volné elektrony pak mohou nést elektrický proud, když je aplikováno elektrické pole.

Nicméně, počet volných elektronů v čistém polovodiči je velmi nízký a elektrická vodivost je velmi špatná. Proto jsou polovodiče často dotovány impuritymi, které mají buď více nebo méně valenčních elektronů než hostitelské atomy. Toto vytváří přebytek nebo nedostatek volných elektronů v polovodiči, což zvyšuje jeho elektrickou vodivost.

Existují dva typy dotace: n-typ a p-typ. Při dotaci n-typu jsou do polovodiče přidány impurity s pěti valenčními elektrony, jako jsou fosfor nebo arsén. Tyto atomy přispívají jeden extra valenční elektron do polovodiče, vytvářejí tak negativně nabitý nosič, elektron. Při dotaci p-typu jsou do polovodiče přidány impurity s třemi valenčními elektrony, jako jsou bor nebo galium. Tyto atomy přijímají jeden valenční elektron z polovodiče, vytvářejí tak pozitivně nabitý nosič, díra.

Polovodiče jsou široce používány v různých elektronických zařízeních, jako jsou tranzistory, diody, solární články, světloemitující diody (LED), lasery a integrované obvody. Tyto zařízení využívají unikátní vlastnosti polovodičů, jako je schopnost přepínat mezi vodičovými a izolačními stavy, citlivost na světlo a teplotu a kompatibilitu s dalšími materiály.

Izolátory

Izolátory jsou materiály s nízkou elektrickou vodivostí, protože mají velmi malý nebo žádný počet volných elektronů, které by mohly nést elektrický proud. Izolátory obvykle mají pět nebo více valenčních elektronů v atomech. Tyto valenční elektrony jsou silně vázány na své mateřské atomy a vyžadují hodně energie, aby byly odtaženy nebo vzrušeny. Proto izolátory nereagují na aplikované elektrické pole nebo rozdíl potenciálů a odpírají nebo blokují tok elektrického proudu.

Většina netrpělivých látek jsou dobrými izolátory elektřiny, protože mají mnoho valenčních elektronů v atomech. Například dusík má pět valenčních elektronů, síra má šest valenčních elektronů a neon má osm valenčních elektronů. Tyto prvky nemají žádné volné elektrony ve své struktuře a nedovolují tok elektrického proudu.

Některé materiály mohou také fungovat jako izolátory za určitých podmínek. Například sklo a kaučuk jsou dobrými izolátory při pokojové teplotě, ale mohou se stát vodiči při vysokých teplotách, kdy některé z jejich valenčních elektronů získají dostatek energie, aby se staly volnými elektrony.

Izolátory jsou hlavně používány k tomu, aby zabránily toku elektrického proudu tam, kde není požadován nebo potřebný. Například izolátory jsou používány k obalení drátů a kabelů, aby je chránily před krátkými závěry a elektrickými šoky. Izolátory jsou také používány k oddělení různých částí elektronického zařízení nebo obvodu, aby zabránily nechtěným interakcím nebo interferencím.

Závěr

Valenční elektrony jsou elektrony v nejvnějším obalu atomu, které mohou účastnit chemické vazby a elektrického proudu. Počet a uspořádání valenčních elektronů určuje mnoho fyzikálních, chemických a elektrických vlastností prvku.

Elektrická vodivost je míra, jak dobře materiál umožňuje proudit elektrický proud. Elektrická vodivost závisí na několika faktorech, jako je počet a chování volných elektronů v materiálu.

Na základě své elektrické vodivosti a počtu valenčních elektronů lze materiály rozdělit do tří hlavních skupin: vodiče, polovodiče a izolátory.

Vodiče mají vysokou elektrickou vodivost, protože mají mnoho volných elektronů, které mohou snadno nést elektrický proud. Vodiče obvykle mají jeden, dva nebo tři valenční elektrony v atomech.

Polovodiče mají střední elektrickou vodivost, protože mají malý počet volných elektronů, které mohou nést elektrický proud za určitých podmínek. Polovodiče obvykle mají čtyři valenční elektrony v atomech.

Izolátory mají nízkou elektrickou vodivost, protože mají velmi malý nebo žádný počet volných elektronů, které by mohly nést elektrický proud. Izolátory obvykle mají pět nebo více valenčních elektronů v atomech.

Tyto materiály mají různé aplikace v různých elektronických zařízeních, jako jsou tranzistory, diody, solární články, LED, lasery a integrované obvody. Tyto zařízení využívají unikátní vlastnosti těchto materiálů, jako je schopnost přepínat mezi vodičovými a izolačními stavy, citlivost na světlo a teplotu a kompatibilitu s dalšími materiály.