Mitkä ovat valuensähköiset ja sähkönjohtavuus

Mitä ovat valenssi-elektronit ja sähkönjohtavuus?

Valenssi-elektronien määritelmä

Atomi koostuu ytimestä, jossa on protonit ja neutronit, sekä elektronista, jotka sijaitsevat ympäröivissä kuoreissa. Ydin on positiivisesti varautunut, ja elektronit ovat negatiivisesti varautuneita. Atomit ovat sähköisesti neutraaleja, koska niillä on yhtä monta protonia ja elektronia.

Atomissa olevat elektronit sijoittuvat kuoriin sen mukaan, millä energiatasolla ne ovat. Lähinnä ydintä oleva kuori on alhaisimmalla energiatasolla, kun taas kauimpana oleva kuori on korkeimmalla energiatasolla. Jokaisella kuorilla on maksimikapasiteetti elektronille: ensimmäinen kuori voi sisältää enintään 2, toinen enintään 8 elektronia ja niin edelleen.

Valenssi-elektronit ovat atomien uloimmassa kuoressa olevat elektronit. Ne osallistuvat kemiallisiin siteisiin ja voivat vaikuttaa sähkö- tai magneettikenttiin. Valenssi-elektronien määrä vaihtelee 1:stä 8:aan riippuen alkuaineesta.

Valenssi-elektronit ovat ratkaisevia elementin fysikaalisten, kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien määrittämisessä. Alkuaineet, joilla on samankaltainen määrä valenssi-elektroneja, usein myös samankaltaisia reaktiivisuuden ja sitoutumisen tyyppejä. Eri määrät valenssi-elektroneja johtavat erilaisiin sähkönjohtavuuksiin ja materiaaleihin.

Sähkönjohtavuus

Sähkönjohtavuus mittaa, kuinka hyvin materiaali sallii sähkövirran kulkea läpi. Sähkövirta koostuu liikkuvista sähkövarauksista, usein vapailla elektronilla tai ioneilla. Korkean johtavuuden materiaalit helposti johtavat virtaa, kun taas alhaisen johtavuuden materiaalit vastustavat sitä.

Materiaalin sähkönjohtavuus riippuu useista tekijöistä, kuten lämpötilasta, rakenteesta, koostumuksesta ja puhtaudessa. Kuitenkin yksi tärkeimmistä tekijöistä on vapaana olevien elektronien määrä ja käyttäytyminen materiaalissa.

Vapaat elektronit ovat valenssi-elektronit, jotka eivät ole tiiviisti sidoksissa isoveljensä atomeihin ja voivat liikkua vapaasti materiaalissa. Nämä ovat elektronit, jotka voivat reagoida sovellettuihin sähkökenttiin tai potentiaerioihin ja siirtyä yhteen suuntaan, luoden sähkövirtaa.

Vapaan elektronin määrä ja käyttäytyminen materiaalissa määräytyvät sen atomin valenssi-elektronien määrästä. Yleisesti ottaen, materiaalit, joilla on vähemmän valenssi-elektroneja, usein myös enemmän vapaita elektroneja, kun taas materiaalit, joilla on enemmän valenssi-elektroneja, usein vähemmän vapaita elektroneja.

Sähkönjohtavuuden ja valenssi-elektronien määrän perusteella materiaaleja voidaan luokitella kolmeen pääryhmään: johtimiin, puolijohtimiin ja eristimiin.

Johtimet

Johtimet ovat materiaaleja, joilla on korkea sähkönjohtavuus, koska niillä on paljon vapaita elektroneja, jotka voivat helposti kuljettaa sähkövirtaa. Johtimet usein ovat atomeja, joilla on yksi, kaksi tai kolme valenssi-elektronia. Nämä valenssi-elektronit ovat korkealla energiatasolla ja vapaasti sidoksissa isoveljensä atomeihin. Ne voivat helposti irrottautua atomeista tai liikkua materiaalissa, kun sovelletaan sähkökenttää tai potentiaeriä.

Useimmat metallit ovat hyviä sähköjohtajia, koska niillä on vähän valenssi-elektroneja atomeissaan. Esimerkiksi kupari on yksi valenssi-elektronilla, magnesiumilla on kaksi valenssi-elektronia ja alumiini on kolme valenssi-elektronia. Nämä metallit ovat monia vapaita elektroneja kidestruktuurissaan, jotka voivat liikkua vapaasti, kun sovelletaan sähkökenttää.

Jotkut ei-metallit voivat myös toimia johtimina tietyissä olosuhteissa. Esimerkiksi grafiti (hiilen muoto) on neljä valenssi-elektronia atomeissaan, mutta vain kolme niistä käytetään siteiden muodostamiseen muiden hiiliatomeiden kanssa heksagonaalissa hilaessa. Neljäs valenssi-elektroni on vapaa liikkumaan hilassa, kun sovelletaan sähkökenttää.