Mis on vaalentelektronid ja elektrijuhtivus?

Mis on valents elektronid ja elektrijuhtivus?

Valents elektronide mõiste

Aatom koosneb tuumast, mis sisaldab protonit ja neutronit, ning ümber asuvatest elektronitest. Tuum on positiivselt laengutatud ja elektronid negatiivselt laengutatud. Aatomid on elektriliselt neutraalsed, sest neil on võrdne arv protonit ja elektronit.

Aatomis asuvad elektronid kihides vastavalt nende energiatasemele. Lähim tuuma olev kirde omab madalaimat energiat, kõige kaugem kirje aga kõrgeimat energiat. Iga kirjel on maksimaalne elektronide kapatsus: esimeses kirjes võib olla kuni 2, teises kuni 8 jne.

Valents elektronid on aatomite välisim kirjes asuvad elektronid. Need osalevad keemilistes sidemates ja võivad mõjuda elektrilaekete või magnetlaekete poolt. Valents elektronide arv varieerub 1 kuni 8, sõltuvalt elemendist.

Valents elektronid on olulised elementide füüsika-, keemia- ja elektriliste omaduste määramisel. Elementid, millel on sarnased valents elektronid, tavaliselt omavad sarnast reaktiivsust ja sidemistüüpe. Eralikud valents elektronide arvud tõmbavad erineva elektrijuhtivuse ja materjalitüübid.

Elektrijuhtivus

Elektrijuhtivus mõõdab, kuidas materjal lubab elektrivoolu läbi liikuda. Elektrivool koosneb liikuvatest elektrilaektetest, tavaliselt vabadest elektronidest või ionidest. Kõrge juhtivusega materjalid lihtsalt viivad voolu, madala juhtivusega materjalid aga takistavad seda.

Materjali elektrijuhtivus sõltub mitmetest teguritest, nagu tema temperatuur, struktuur, koostis ja puhtus. Siiski on üks kõige olulisemaid tegureid vabad elektronid materjaliga.

Vabad elektronid on valents elektronid, mis ei ole tihti seotud oma emaaatomitega ja võivad vabadalt liikuda materjaliga. Need on elektronid, mis saavad reageerida rakendatud elektrilaekete või potentsiaalide poolt ja sirvida ühes suunas, luues elektrivoolu.

Vabad elektronide arv ja käitumine materjaliga määratakse selle konstitueerivaide aatomite valents elektronide arvu poolt. Üldiselt materjalid, millel on vähe valents elektronit, tõenäoliselt omavad rohkem vabad elektronit, samas kui materjalid, millel on rohkem valents elektronit, tõenäoliselt omavad vähem vabad elektronit.

Aluseks oma elektrijuhtivuse ja valents elektronide arvu põhjal materjalid saavad jagada kolme peamise grupi: juhid, pooljuhid ja eraldajad.

Juhid

Juhid on materjalid, millel on kõrge elektrijuhtivus, sest neil on palju vabad elektronit, mis saavad lihtsalt viia elektrivoolu. Juhid tavaliselt omavad ühte, kahte või kolme valents elektronit oma aatomites. Need valents elektronid omavad kõrget energiataset ja on vabalt seotud oma emaaatomitega. Nad saavad lihtsalt lahkneda oma aatomidest või liikuda materjaliga, kui rakendatakse elektrilaekete või potentsiaalide poolt.

Enamus metallid on hea elektrijuht, sest neil on vähe valents elektronit oma aatomites. Näiteks kuparil on üks valents elektron, magneesiumil kaks valents elektronit ja aluminiomil kolm valents elektronit. Need metallid omavad palju vabad elektronit oma kristallstruktuuris, mis saavad vabadalt liikuda, kui rakendatakse elektrilaekete või potentsiaalide poolt.

Mõned metallid võivad ka toimida juhitena teatud tingimustel. Näiteks graafit (üks süsiniku kuju) omab nelja valents elektronit oma aatomites, kuid ainult kolm neist kasutatakse sidemiseks teiste süsiniku aatomitega heksagonaalsetes võrkudes. Neljas valents elektron on vaba liikuda võrgu kaudu, kui rakendatakse elektrilaekete või potentsiaalide poolt.

Pooljuhid

Pooljuhid on materjalid, millel on keskmine elektrijuhtivus, sest neil on vähe vabad elektronit, mis saavad viia elektrivoolu teatud tingimustel. Pooljuhid on materjalid, millel on neli valents elektronit oma aatomites, näiteks süsinik, silitsium ja germant. Need valents elektronid kasutatakse sidemiseks teiste aatomitega regulaarses võrkustruktuuris. Kuid ruumi temperatuuril võivad mõned need valents elektronid saada piisavalt energiat, et lahku oma sidemest ja muutuda vabad elektronid. Need vabad elektronid saavad siis viia elektrivoolu, kui rakendatakse elektrilaekete või potentsiaalide poolt.

Kuid puhtas pooljuhis on vabad elektronide arv väga madal ja elektrijuhtivus väga halb. Seetõttu pooljuhid lisatakse sageli impuriteedega aatomitega, millel on kas rohkem või vähem valents elektronit kui emaaatomitega. See loob pooljuhis üleliigse või puuduliku vabad elektronide arvu, mis suurendab selle elektrijuhtivust.

On kaks tüüpi dopingu: n-tüüp ja p-tüüp. N-tüübilisel dopingul lisatakse pooljuhisimpuriteedega aatomitega, millel on viis valents elektronit, näiteks fosfor või arseen. Need aatomid andvad pooljuhis ühe lisavalents elektronit, loodes negatiivse laengutaja, mida nimetatakse elektroniks. P-tüübilisel dopingul lisatakse pooljuhisimpuriteedega aatomitega, millel on kolm valents elektronit, näiteks boor või galloon. Need aatomid vastuvõtavad ühe valents elektronit pooljuhist, loodes positiivse laengutaja, mida nimetatakse aukuriks.

Pooljuhid kasutatakse laialdaselt erinevatel elektronikutel, näiteks transistordel, dioodidel, päikesepanellidel, LED-del, laseritel ja integreeritud skeemidel. Need seadmed kasutavad pooljuhide unikaalseid omadusi, näiteks nende võimet lülituda juhi ja eraldaja staatuste vahel, nende tundlikkust valgusele ja temperatuurile ning nende koostöösoome muude materjalidega.

Eraldajad

Eraldajad on materjalid, millel on madal elektrijuhtivus, sest neil on vähe või üldse ei ole vabad elektronit, mis saavad viia elektrivoolu. Eraldajad tavaliselt omavad viit või rohkem valents elektronit oma aatomites. Need valents elektronid on tugevalt seotud oma emaaatomitega ja nende lahknemiseks või ekiteerimiseks on vaja palju energiat. Seetõttu eraldajad ei reageeri rakendatud elektrilaekete või potentsiaalide poolt ja takistavad või blokeerivad elektrivoolu liikumist.

Enamus metallid on hea elektrieraldajad, sest neil on palju valents elektronit oma aatomites. Näiteks lämmastikul on viis valents elektronit, rütstikul kuus valents elektronit ja neonil kaheksa valents elektronit. Need elemendid ei omagi vabad elektronit oma struktuuris ja ei luba elektrivoolu liikuda läbi neid.

Mõned materjalid võivad ka toimida eraldajana teatud tingimustel. Näiteks klaas ja kumm on hea eraldajad ruumi temperatuuril, kuid saavad muutuda juhitena kõrge temperatuuril, kui mõned nende valents elektronid saavad piisavalt energiat, et muutuda vabad elektronid.

Eraldajad kasutatakse peamiselt elektrivoolu eemaldamiseks, kus see pole soovitud või vajalik. Näiteks eraldajad kasutatakse drahtide ja kaablite katmiseks, et kaitsta neid lühikeste tsüklite ja elektrishokkide eest. Eraldajad kasutatakse ka erinevate osade eraldamiseks elektronikaseadmetes või skeemides, et vältida ebatähtsaid interaktsioone või segadust.

Lõppkokkuvõte

Valents elektronid on aatomite välisim kirjes asuvad elektronid, mis saavad osaleda keemilistes sidemates ja elektrivoolu. Valents elektronide arv ja paigutus määravad palju elementide füüsika-, keemia- ja elektrilisi omadusi.

Elektrijuhtivus on mõõt, kuidas materjal lubab elektrivoolu läbi liikuda. Elektrijuhtivus sõltub mitmetest teguritest, nagu vabad elektronide arv ja käitumine materjaliga.

Aluseks oma elektrijuhtivuse ja valents elektronide arvu põhjal materjalid saavad jagada kolme peamise grupi: juhid, pooljuhid ja eraldajad.

Juhid omavad kõrge elektrijuhtivust, sest neil on palju vabad elektronit, mis saavad lihtsalt viia elektrivoolu. Juhid tavaliselt omavad ühte, kahte või kolme valents elektronit oma aatomites.

Pooljuhid omavad keskmist elektrijuhtivust, sest neil on vähe vabad elektronit, mis saavad viia elektrivoolu teatud tingimustel. Pooljuhid tavaliselt omavad neli valents elektronit oma aatomites.

Eraldajad omavad madalat elektrijuhtivust, sest neil on vähe või üldse ei ole vabad elektronit, mis saavad viia elektrivoolu. Eraldajad tavaliselt omavad viit või rohkem valents elektronit oma aatomites.

Need materjalid omavad erinevat kasutust erinevatel elektronikutel, näiteks transistordel, dioodidel, päikesepanellidel, LED-del, laseritel ja integreeritud skeemidel. Need seadmed kasutavad nende materjalide unikaalseid omadusi, näiteks nende võimet lülituda juhi ja eraldaja staatuste vahel, nende tundlikkust valgusele ja temperatuurile ning nende koostöösoome muude materjalidega.