Τι είναι τα ηλεκτρόνια συνδέσμου και η ηλεκτρική αγωγικότητα;

Τι είναι οι ηλεκτρόνια περιβάλλοντος και η ηλεκτρική συγκεκριμένη ;

Ορισμός των Ηλεκτρονίων Περιβάλλοντος

Ένας ατομικός κύκλος αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, με ηλεκτρόνια σε κελύφη γύρω από αυτόν. Ο πυρήνας είναι θετικά φορτίζεται, ενώ τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτίζεται. Οι ατομικοί κύκλοι είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι επειδή έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων.

Τα ηλεκτρόνια σε έναν ατομικό κύκλο διατάσσονται σε κελύφη με βάση τα επίπεδα ενέργειάς τους. Το κελύφος που είναι πιο κοντά στον πυρήνα έχει τη χαμηλότερη ενέργεια, ενώ το πιο μακρινό κελύφος έχει την υψηλότερη ενέργεια. Κάθε κελύφος έχει μέγιστη δυνατότητα για ηλεκτρόνια: το πρώτο κελύφος μπορεί να φιλοξενήσει μέχρι 2, το δεύτερο μέχρι 8, και ούτω καθεξής.

Τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος είναι τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικότερο κελύφος των ατομικών κύκλων. Συμμετέχουν στη χημική συνδέση και μπορούν να επηρεαστούν από ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων περιβάλλοντος μπορεί να είναι από 1 έως 8, ανάλογα με το στοιχείο.

Τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος είναι κρίσιμα για την καθορισμό των φυσικών, χημικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων ενός στοιχείου. Στοιχεία με παρόμοια ηλεκτρόνια περιβάλλοντος συνήθως έχουν παρόμοια χημική δραστηριότητα και τύπο συνδέσης. Διαφορετικοί αριθμοί ηλεκτρονίων περιβάλλοντος οδηγούν σε διαφορετικές ηλεκτρικές συγκεκριμένες και τύπους υλικών.

Ηλεκτρική Συγκεκριμένη

Η ηλεκτρική συγκεκριμένη μετρά πόσο καλά επιτρέπει ένα υλικό να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα του. Το ηλεκτρικό ρεύμα αποτελείται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, συνήθως μεταφέρονται από ελεύθερα ηλεκτρόνια ή ιόντα. Υλικά με υψηλή συγκεκριμένη εύκολα διαγωγούν ρεύμα, ενώ υλικά με χαμηλή συγκεκριμένη το αντιστέκονται.

Η ηλεκτρική συγκεκριμένη ενός υλικού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως τη θερμοκρασία, τη δομή, τη σύνθεση και την καθαρότητα. Ωστόσο, ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες είναι ο αριθμός και τη συμπεριφορά των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο υλικό.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι ηλεκτρόνια περιβάλλοντος που δεν είναι στενά δεμένα με τα παραγοντικά τους ατόμια και μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα στο υλικό. Αυτά είναι τα ηλεκτρόνια που μπορούν να ανταποκριθούν σε ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο ή διαφορά δυναμικού και να μετακινηθούν προς μία κατεύθυνση, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Ο αριθμός και η συμπεριφορά των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε ένα υλικό καθορίζονται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων περιβάλλοντος στα συστατικά του ατόμια. Γενικά, υλικά με λιγότερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος τείνουν να έχουν περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ενώ υλικά με περισσότερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος τείνουν να έχουν λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Βάσει της ηλεκτρικής συγκεκριμένης και του αριθμού των ηλεκτρονίων περιβάλλοντος, τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κύριες ομάδες: διαγωγοί, ημιαγωγοί και αισθητήρες.

Διαγωγοί

Οι διαγωγοί είναι υλικά που έχουν υψηλή ηλεκτρική συγκεκριμένη επειδή έχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν εύκολα να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι διαγωγοί συνήθως έχουν ένα, δύο ή τρία ηλεκτρόνια περιβάλλοντος στα ατόμια τους. Αυτά τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος έχουν υψηλά επίπεδα ενέργειας και είναι ελαφρά συνδεδεμένα με τα παραγοντικά τους ατόμια. Μπορούν εύκολα να αποσπάσουν από τα ατόμια τους ή να μετακινηθούν μέσα στο υλικό όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο ή διαφορά δυναμικού.

Οι περισσότερες μέταλλα είναι καλοί διαγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος επειδή έχουν λίγα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος στα ατόμια τους. Για παράδειγμα, το χάλυβδος έχει ένα ηλεκτρόνιο περιβάλλοντος, το μαγνήσιο έχει δύο ηλεκτρόνια περιβάλλοντος, και το αλουμίνιο έχει τρία ηλεκτρόνια περιβάλλοντος. Αυτά τα μέταλλα έχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια στην κρυσταλλική τους δομή που μπορούν να κινηθούν ελεύθερα όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο.

Κάποια μη μέταλλα μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως διαγωγοί υπό ορισμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, το γραφίτη (μία μορφή του άνθρακα) έχει τέσσερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος στα ατόμια του, αλλά μόνο τρία από αυτά χρησιμοποιούνται για σύνδεση με άλλα ατόμια άνθρακα σε εξαγωνικό πλέγμα. Το τέταρτο ηλεκτρόνιο περιβάλλοντος είναι ελεύθερο να κινηθεί κατά μήκος του πλέγματος όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο.

Ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που έχουν μετριοπαθή ηλεκτρική συγκεκριμένη επειδή έχουν λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα υπό ορισμένες συνθήκες. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος στα ατόμια τους, όπως ο άνθρακας, το κρύσταλλο και το γερμανίο. Αυτά τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος χρησιμοποιούνται για σύνδεση με άλλα ατόμια σε κανονική κρυσταλλική δομή. Ωστόσο, σε δωματική θερμοκρασία, κάποια από αυτά τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να αποσπάσουν από τις συνδέσεις τους και να γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν στη συνέχεια να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο.

Ωστόσο, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν καθαρό ημιαγωγό είναι πολύ χαμηλός, και η ηλεκτρική συγκεκριμένη είναι πολύ κακή. Επομένως, οι ημιαγωγοί συχνά είναι δοποποιημένοι με ατομικά υποκείμενα που έχουν είτε περισσότερα είτε λιγότερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος από τα κύρια ατόμια. Αυτό δημιουργεί πλεονέκτημα ή έλλειψη ελεύθερων ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό, που αυξάνει την ηλεκτρική συγκεκριμένη.

Υπάρχουν δύο τύποι δοποποίησης: n-τύπου και p-τύπου. Στη δοποποίηση n-τύπου, ατομικά υποκείμενα με πέντε ηλεκτρόνια περιβάλλοντος, όπως το φωσφόρο ή το αρσενικό, προστίθενται στον ημιαγωγό. Αυτά τα ατόμια δίνουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο περιβάλλοντος στον ημιαγωγό, δημιουργώντας έναν αρνητικό φορέα φόρτιου που ονομάζεται ηλεκτρόνιο. Στη δοποποίηση p-τύπου, ατομικά υποκείμενα με τρία ηλεκτρόνια περιβάλλοντος, όπως το βόριο ή το γάλλιο, προστίθενται στον ημιαγωγό. Αυτά τα ατόμια αποδέχονται ένα ηλεκτρόνιο περιβάλλοντος από τον ημιαγωγό, δημιουργώντας έναν θετικό φορέα φόρτιου που ονομάζεται τρύπα.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορα ηλεκτρονικά συστήματα, όπως τρανζίστορ, διόδοι, φωτοβολταϊκά, λαμπτήρες LED, λέιζερ και ολοκληρωμένα κύκλωμα. Αυτά τα συστήματα εκμεταλλεύονται τις μοναδικές ιδιότητες των ημιαγωγών, όπως την ικανότητά τους να αλλάζουν ανάμεσα σε καταστάσεις διαγωγής και αισθητήρα, την ευαισθησία τους στο φως και τη θερμοκρασία, και τη συμβατότητά τους με άλλα υλικά.

Αισθητήρες

Οι αισθητήρες είναι υλικά που έχουν χαμηλή ηλεκτρική συγκεκριμένη επειδή έχουν πολύ λίγα ή καθόλου ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι αισθητήρες συνήθως έχουν πέντε ή περισσότερα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος στα ατόμια τους. Αυτά τα ηλεκτρόνια περιβάλλοντος είναι ισχυρά δεμένα με τα παραγοντικά τους ατόμια και απαιτούν πολύ ενέργεια για να αποσπάσουν ή να ενεργοποιηθούν. Έτσι, οι αισθητήρες δεν ανταποκρίνονται σε ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο ή διαφορά δυναμικού και αντιστέκονται ή εμποδίζουν την ροή ηλεκτρικού ρεύματος.

Οι περι