چه هستند الکترون‌های والانس و رسانایی برقی

چه هستند الکترون‌های والانس و رسانایی الکتریکی؟

تعریف الکترون‌های والانس

اتم از هسته‌ای تشکیل شده که شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها است، با الکترون‌هایی در لایه‌های دور آن. هسته دارای بار مثبت و الکترون‌ها دارای بار منفی هستند. اتم‌ها به دلیل داشتن تعداد مساوی از پروتون‌ها و الکترون‌ها بار الکتریکی خنثی هستند.

الکترون‌های یک اتم بر اساس سطوح انرژی خود در لایه‌های مختلف قرار دارند. نزدیک‌ترین لایه به هسته دارای کمترین انرژی و دورترین لایه دارای بیشترین انرژی است. هر لایه ظرفیت حداکثری برای الکترون‌ها دارد: لایه اول تا ۲ الکترون، لایه دوم تا ۸ الکترون و غیره.

الکترون‌های والانس الکترون‌هایی هستند که در لایه خارجی‌ترین اتم‌ها قرار دارند. آن‌ها در پیوند شیمیایی شرکت می‌کنند و می‌توانند تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی قرار بگیرند. تعداد الکترون‌های والانس از ۱ تا ۸ متغیر است، بسته به عنصر.

الکترون‌های والانس در تعیین ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی یک عنصر بسیار مهم هستند. عناصری که تعداد مشابهی از الکترون‌های والانس دارند معمولاً واکنش‌پذیری و نوع پیوند مشابهی دارند. تعداد متفاوتی از الکترون‌های والانس به رسانایی الکتریکی و نوع مواد متفاوت منجر می‌شود.

رسانایی الکتریکی

رسانایی الکتریکی میزانی است که یک ماده به جریان الکتریکی اجازه می‌دهد تا از طریق آن جریان یابد. جریان الکتریکی از حرکت بارهای الکتریکی تشکیل شده که معمولاً توسط الکترون‌های آزاد یا یون‌ها حمل می‌شوند. مواد با رسانایی بالا به راحتی جریان را رسانده، در حالی که مواد با رسانایی پایین جریان را مقاومت می‌کنند.

رسانایی الکتریکی یک ماده به چند عامل بستگی دارد، مانند دما، ساختار، ترکیب و خلوص آن. اما یکی از مهم‌ترین عوامل تعداد و رفتار الکترون‌های آزاد در ماده است.

الکترون‌های آزاد الکترون‌های والانس هستند که به اتم‌های مادر خود به صورت محکم متصل نیستند و می‌توانند در ماده آزادانه حرکت کنند. این الکترون‌ها می‌توانند به یک میدان الکتریکی یا اختلاف پتانسیل اعمال شده پاسخ دهند و در یک جهت حرکت کنند، که منجر به جریان الکتریکی می‌شود.

تعداد و رفتار الکترون‌های آزاد در یک ماده توسط تعداد الکترون‌های والانس در اتم‌های تشکیل دهنده آن تعیین می‌شود. به طور کلی، موادی که تعداد کمتری از الکترون‌های والانس دارند معمولاً تعداد بیشتری الکترون آزاد دارند، در حالی که موادی که تعداد بیشتری از الکترون‌های والانس دارند تعداد کمتری الکترون آزاد دارند.

بر اساس رسانایی الکتریکی و تعداد الکترون‌های والانس خود، مواد می‌توانند به سه گروه اصلی تقسیم‌بندی شوند: رساناهای، نیمه‌رساناهای و عایق‌ها.

رساناهای

رساناهای موادی هستند که رسانایی الکتریکی بالایی دارند زیرا تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد دارند که می‌توانند به راحتی جریان الکتریکی را حمل کنند. رساناهای معمولاً یک، دو یا سه الکترون والانس در اتم‌های خود دارند. این الکترون‌های والانس دارای سطح انرژی بالا هستند و به اتم‌های مادر خود به صورت آزاد متصل هستند. آن‌ها می‌توانند به راحتی از اتم‌ها جدا شوند یا در ماده حرکت کنند وقتی که یک میدان الکتریکی یا اختلاف پتانسیل اعمال می‌شود.

بیشتر فلزات رساناهای خوبی از الکتریسیته هستند زیرا تعداد کمی از الکترون‌های والانس در اتم‌های خود دارند. به عنوان مثال، مس یک الکترون والانس دارد، منیزیم دو الکترون والانس دارد و آلومینیوم سه الکترون والانس دارد. این فلزات تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد در ساختار بلوری خود دارند که می‌توانند به راحتی وقتی یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود حرکت کنند.

بعضی از غیرفلزات نیز می‌توانند تحت شرایط خاص به عنوان رساناهای عمل کنند. به عنوان مثال، گرافیت (یک شکل از کربن) چهار الکترون والانس در اتم‌های خود دارد، اما فقط سه تای آن‌ها برای پیوند با دیگر اتم‌های کربن در شبکه شش‌ضلعی استفاده می‌شوند. چهارمین الکترون والانس آزاد است تا در شبکه وقتی یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود حرکت کند.

نیمه‌رساناهای

نیمه‌رساناهای موادی هستند که رسانایی الکتریکی متوسطی دارند زیرا تعداد کمی از الکترون‌های آزاد دارند که می‌توانند تحت شرایط خاص جریان الکتریکی را حمل کنند. نیمه‌رساناهای موادی هستند که چهار الکترون والانس در اتم‌های خود دارند، مانند کربن، سیلیکون و ژرمانیوم. این الکترون‌های والانس برای پیوند با دیگر اتم‌ها در یک ساختار شبکه‌ای منظم استفاده می‌شوند. اما در دمای اتاق، بعضی از این الکترون‌های والانس می‌توانند انرژی کافی به دست آورند تا از پیوندهای خود آزاد شوند و به الکترون‌های آزاد تبدیل شوند. این الکترون‌های آزاد می‌توانند وقتی یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود جریان الکتریکی را حمل کنند.

با این حال، تعداد الکترون‌های آزاد در یک نیمه‌رسانا خالص بسیار کم است و رسانایی الکتریکی بسیار ضعیف است. بنابراین، نیمه‌رساناهای معمولاً با اتم‌های آلاینده که تعداد بیشتر یا کمتری از الکترون‌های والانس نسبت به اتم‌های میزبان دارند آلایش می‌شوند. این امر منجر به افزایش یا کاهش الکترون‌های آزاد در نیمه‌رسانا می‌شود که رسانایی الکتریکی آن را افزایش می‌دهد.

دو نوع آلایش وجود دارد: n-نوع و p-نوع. در آلایش n-نوع، اتم‌های آلاینده با پنج الکترون والانس، مانند فسفر یا آرسنیک، به نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند. این اتم‌ها یک الکترون والانس اضافی به نیمه‌رسانا می‌دهند که یک حامل بار منفی به نام الکترون ایجاد می‌کند. در آلایش p-نوع، اتم‌های آلاینده با سه الکترون والانس، مانند بور یا گالیوم، به نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند. این اتم‌ها یک الکترون والانس از نیمه‌رسانا می‌گیرند که یک حامل بار مثبت به نام سوراخ ایجاد می‌کند.

نیمه‌رساناهای به طور گسترده‌ای در انواع مختلف دستگاه‌های الکترونیکی مانند ترانزیستورها، دیودها، سلول‌های خورشیدی، دیودهای نورپرداز (LEDs)، لیزرها و مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها از ویژگی‌های منحصر به فرد نیمه‌رساناهای، مانند توانایی آن‌ها در تغییر بین حالت‌های رسانا و عایق، حساسیت آن‌ها به نور و دما و سازگاری آن‌ها با مواد دیگر استفاده می‌کنند.

عایق‌ها

عایق‌ها موادی هستند که رسانایی الکتریکی پایینی دارند زیرا تعداد بسیار کم یا هیچ الکترون آزادی برای حمل جریان الکتریکی ندارند. عایق‌ها معمولاً پنج یا بیشتر الکترون والانس در اتم‌های خود دارند. این الکترون‌های والانس به اتم‌های مادر خود به صورت محکم متصل هستند و نیاز به انرژی زیادی برای جدا شدن یا تحریک دارند. بنابراین، عایق‌ها به یک میدان الکتریکی یا اختلاف پتانسیل اعمال شده پاسخ نمی‌دهند و جریان الکتریکی را مقاومت یا مسدود می‌کنند.

بیشتر غیرفلزات عایق‌های خوبی از الکتریسیته هستند زیرا تعداد زیادی از الکترون‌های والانس در اتم‌های خود دارند. به عنوان مثال، نیتروژن پنج الکترون والانس دارد، گوگرد شش الکترون والانس دارد و نئون هشت الکترون والانس دارد. این عناصر هیچ الکترون آزادی در ساختار خود ندارند و اجازه نمی‌دهند که جریان الکتریکی از طریق آن‌ها جریان یابد.

بعضی از مواد نیز می‌توانند تحت شرایط خاص به عنوان عایق‌ها عمل کنند. به عنوان مثال، شیشه و لاستیک در دمای اتاق عایق‌های خوبی هستند اما در دماهای بالا وقتی برخی از الکترون‌های والانس آن‌ها انرژی کافی به دست می‌آورند تا به الکترون‌های آزاد تبدیل شوند، می‌توانند رسانا شوند.

عایق‌ها عموماً برای جلوگیری از جریان الکتریکی در جاهایی که نمی‌خواهد یا نیازی به آن نیست استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، عایق‌ها برای پوشاندن سیم‌ها و کابل‌ها برای محافظت آن‌ها از کوتاه شدن و شوک الکتریکی استفاده می‌شوند. عایق‌ها همچنین برای جدا کردن بخش‌های مختلف یک دستگاه یا مدار الکترونیکی برای جلوگیری از تعاملات یا تداخلات ناخواسته استفاده می‌شوند.

نتیجه‌گیری

الکترون‌های والانس الکترون‌هایی هستند که در لایه خارجی‌ترین اتم قرار دارند و می‌توانند در پیوند شیمیایی و جریان الکتریکی شرکت کنند. تعداد و ترتیب الکترون‌های والانس بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی یک عنصر را تعیین می‌کنند.

رسانایی الکتریکی معیاری است که میزانی را که یک ماده می‌تواند به جریان الکتریکی اجازه دهد تا از طریق آن جریان یابد اندازه‌گیری می‌کند. رسانایی الکتریکی به چند عامل بستگی دارد، مانند تعداد و رفتار الکترون‌های آزاد در ماده.

بر اساس رسانایی الکتریکی و تعداد الکترون‌های والانس خود، مواد می‌توانند به سه گروه اصلی تقسیم‌بندی شوند: رساناهای، نیمه‌رساناهای و عایق‌ها.

رساناهای رسانایی الکتریکی بالایی دارند زیرا تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد دارند که می‌توانند به راحتی جریان الکتریکی را حمل کنند. رساناهای معمولاً یک، دو یا سه الکترون والانس در اتم‌های خود دارند.

نیمه‌رساناهای رسانایی الکتریکی متوسطی دارند زیرا تعداد کمی از الکترون‌های آزاد دارند که می‌توانند تحت شرایط خاص جریان الکتریکی را حمل کنند. نیمه‌رساناهای معمولاً چهار الکترون والانس در اتم‌های خود دارند.

عایق‌ها رسانایی الکتریکی پایینی دارند زیرا تعداد بسیار کم یا هیچ الکترون آزادی برای حمل جریان الکتریکی ندارند. عایق‌ها معمولاً پنج یا بیشتر الکترون والانس در اتم‌های خود دارند.

این مواد کاربردهای مختلفی در انواع مختلف دستگاه‌های الکترونیکی مانند ترانزیستورها، دیودها، سلول‌های خورشیدی، LEDs، لیزرها و مدارهای مجتمع دارند. این دستگاه‌ها از ویژگی‌های منحصر به فرد این مواد، مانند توانایی آن‌ها در تغییر بین حالت‌های رسانا و عایق، حساسیت آن‌ها به نور و دما و سازگاری آن‌ها با مواد دیگر استفاده می‌کنند.