מה הם אלקטרונים ערכיות ותולשת חשמלית
מה הם אלקטרונים חיצוניים ותאוצות חשמלית?
הגדרת אלקטרונים חיצוניים
אטום בנוי מגרעין שמכיל פרוטונים וניטרונים, עם אלקטרונים בקשתות סביבו. הגרעין הוא טעון חיובית, והאלקטרונים הם טעונים שלילית. אטומים הם ניטרליים חשמלית כי להם מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים.
אלקטרונים באטום מסודרים בקשתות בהתאם לרמות האנרגיה שלהם. הקשת הקרובה ביותר לגרעין היא בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר, בעוד שהקשת הרחוקה ביותר היא בעלת האנרגיה הגבוהה ביותר. לכל קשת יש תכולה מקסימלית של אלקטרונים: הקשת הראשונה מחזיקה עד 2, השנייה עד 8, וכן הלאה.
אלקטרונים חיצוניים הם האלקטרונים בקשת החיצונית ביותר של אטומים. הם משתתפים בקשר כימי יכולים להשפיע על שדות חשמליים או מגנטיים. מספר האלקטרונים החיצוניים משתנה מ-1 עד 8, בהתאם ליסוד.
אלקטרונים חיצוניים חשובים לקביעת התכונות הפיזיות, הכימיות והחשמליות של יסוד. אלמנטים בעלי אלקטרונים חיצוניים דומים בדרך כלל יש להם ריאקטיביות דומה וסוגי קשר דומים. מספר שונה של אלקטרונים חיצוניים גורם לתכונות מוליכות חשמלית שונות וסוגי חומרים שונים.
תאוצות חשמלית
תאוצות חשמלית מדידה כמה טוב חומר מאפשר זרם חשמלי לזרום דרכו. זרם חשמלי מורכב מטעיני חשמל נעים, בדרך כלל נשאים על ידי אלקטרונים חופשיים או יונים. חומרים בעלי מוליכות גבוהה מתקינים בקלות זרם, בעוד חומרים בעלי מוליכות נמוכה מתנגדים לו.
המוליכות החשמלית של חומר תלויה במספר גורמים, כגון הטמפרטורה שלו, המבנה, ההרכב והנקיות. אך אחד הגורמים החשובים ביותר הוא מספר ומגמת האלקטרונים החופשיים בחומר.
אלקטרונים חופשיים הם אלקטרונים חיצוניים שאינם קשורים חזק לאטומי ההורה שלהם ויכולים לנוע חופשית בתוך החומר. אלה הם האלקטרונים שמגיבים לשדה חשמלי מושך או להבדל פוטנציאל ומסתעים בכיוון אחד, ויוצרים זרם חשמלי.
מספר ומגמת האלקטרונים החופשיים בחומר נקבעים על ידי מספר האלקטרונים החיצוניים באטומי החומר. באופן כללי, חומרים בעלי פחות אלקטרונים חיצוניים נוטים להיות להם יותר אלקטרונים חופשיים, בעוד חומרים בעלי יותר אלקטרונים חיצוניים נוטים להיות להם פחות אלקטרונים חופשיים.
על בסיס המוליכות החשמלית והכמות של אלקטרונים חיצוניים, ניתן לסווג חומרים לשלושה קבוצות עיקריות: מוליכים, מוליכים חצי-נמחצים ובודדים.
מוליכים
מוליכים הם חומרים שיש להם מוליכות חשמלית גבוהה כי להם הרבה אלקטרונים חופשיים שיכולות בקלות לשאת זרם חשמלי. מוליכים בדרך כלל יש להם 1, 2 או 3 אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם. אלקטרונים חיצוניים אלו הם בעלי רמות אנרגיה גבוהות ולא קשורים חזק לאטומי ההורה שלהם. הם יכולים בקלות להתנתק מאטומי ההורה שלהם או לנוע בתוך החומר כשיש שדה חשמלי או הבדל פוטנציאל.
רוב המתכות הן מוליכים טובים של חשמל כי להם מעט אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם. למשל, נחושת יש לה אלקטרון חיצוני אחד, מגנזיום יש לו שני אלקטרונים חיצוניים, ואלומיניום יש לו שלושה אלקטרונים חיצוניים. המתכות הללו יש להם הרבה אלקטרונים חופשיים בהרכב הגבישי שלהם שיכולות לנוע חופשי כשהוא משך בשדה חשמלי.
כמה חומרים לא מתכתיים יכולים גם כן לפעול כמוליכים בתנאים מסוימים. למשל, גרף (צורה של פחמן) יש לו ארבעה אלקטרונים חיצוניים באטומים שלו, אבל רק שלושה מהם משמשים לקישור עם אטומי פחמן אחרים בגביש משושים. האלקטרון החיצוני הרביעי הוא חופשי לנוע לאורך הגביש כשיש שדה חשמלי.
מוליכים חצי-נמחצים
מוליכים חצי-נמחצים הם חומרים שיש להם מוליכות חשמלית בינונית כי להם מעט אלקטרונים חופשיים שיכולות לשאת זרם חשמלי בתנאים מסוימים. מוליכים חצי-נמחצים הם חומרים שיש להם ארבעה אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם, כמו פחמן, סיליקון וג'רמניום. אלקטרונים חיצוניים אלו משמשים לקישור עם אטומים אחרים במבנה גבישי סדיר. אך בטמפרטורת החדר, חלק מהאלקטרונים החיצוניים יכולים לקבל מספיק אנרגיה כדי להתנתק מהקשריהם ולהפוך לאלקטרונים חופשיים. אלקטרונים חופשיים אלו יכולים אז לשאת זרם חשמלי כשיש שדה חשמלי.
עם זאת, מספר האלקטרונים החופשיים במוליך חצי-נמחץ טהור מאוד נמוך, והמוליכות החשמלית מאוד נמוכה. לכן, מוליכים חצי-נמחצים לעיתים קרובות מוזנים עם אטומים זרים שיש להם או יותר או פחות אלקטרונים חיצוניים מאטומי המארח. זה יוצר עודף או חסר של אלקטרונים חופשיים במוליך חצי-נמחץ, מה שמעלים את המוליכות החשמלית שלו.
ישנם שני סוגים של הזנה: n-סוג ו-p-סוג. בהזנה מסוג n, מוסיפים אטומים זרים שיש להם חמישה אלקטרונים חיצוניים, כמו פוספור או ארסן, למוליך חצי-נמחץ. האטומים האלו מוסיפים אלקטרון חיצוני נוסף למוליך חצי-נמחץ, ויוצרים נושא טעון שלילי שנקרא אלקטרון. בהזנה מסוג p, מוסיפים אטומים זרים שיש להם שלושה אלקטרונים חיצוניים, כמו בורון או גאלניום, למוליך חצי-נמחץ. האטומים האלו מקבלים אלקטרון חיצוני אחד מהמוליך חצי-נמחץ, ויוצרים נושא טעון חיובי שנקרא חור.
מוליכים חצי-נמחצים נמצאים בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים שונים, כגון טרנזיסטורים, דיודות, תאים סולריים, דיודות פולטת אור (LEDs), לייזרים ומעגלים משולבים. המכשירים הללו מנצלים את התכונות הייחודיות של מוליכים חצי-נמחצים, כגון יכולתם לעבור בין מצבים מוליכים למצבים מבודדים, רגישותם לאור וטמפרטורה, וpatibilityם עם חומרים אחרים.
בודדים
בודדים הם חומרים שיש להם מוליכות חשמלית נמוכה כי להם מעט מאוד או אין להם אלקטרונים חופשיים שיכולות לשאת זרם חשמלי. בודדים בדרך כלל יש להם 5 או יותר אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם. אלקטרונים חיצוניים אלו קשורים חזק לאטומי ההורה שלהם ודורשים הרבה אנרגיה להתנתק או להתלהט. לכן, בודדים אינם מגיבים לשדה חשמלי מושך או להבדל פוטנציאל ומתנגדים או מונעים מעבר זרם חשמלי.
רוב החומרים לא מתכתיים הם בודדים טובים של חשמל כי להם הרבה אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם. למשל, חנקן יש לו 5 אלקטרונים חיצוניים, גופרית יש לה 6 אלקטרונים חיצוניים, וניאון יש לו 8 אלקטרונים חיצוניים. אלמנטים אלו אין להם אלקטרונים חופשיים בהרכב שלהם ולא מאפשרים זרם חשמלי לזרום דרכם.
כמה חומרים יכולים גם כן לפעול כבודדים בתנאים מסוימים. למשל, זכוכית ובלוק הם בודדים טובים בטמפרטורת החדר אבל יכולים להפוך למוליכים בטמפרטורות גבוהות כשחלק מהאלקטרונים החיצוניים שלהם מקבלים מספיק אנרגיה כדי להפוך לאלקטרונים חופשיים.
בודדים משמשים בעיקר למנוע מעבר זרם חשמלי במקום שהוא אינו רצוי או נדרש. למשל, בודדים משמשים כדי לכסות חוטים וקابلים כדי להגן עליהם מקצרות חשמליות ומפגעי חשמל. בודדים משמשים גם כדי להפריד בין חלקים שונים של מכשיר אלקטרוני או מעגל כדי למנוע אינטראקציות בלתי רצויות או הפרעות.
סיכום
אלקטרונים חיצוניים הם האלקטרונים בקשת החיצונית ביותר של אטום שיכולות להשתתף בקשר כימי ובזרם חשמלי. מספר והסדר של אלקטרונים חיצוניים קובעים רבות מהתכונות הפיזיות, הכימיות והחשמליות של יסוד.
תאוצות חשמלית היא מדידה כמה טוב חומר מאפשר זרם חשמלי לזרום דרכו. תאוצות חשמלית תלויה במספר גורמים, כגון מספר ומגמת האלקטרונים החופשיים בחומר.
על בסיס המוליכות החשמלית והכמות של אלקטרונים חיצוניים, ניתן לסווג חומרים לשלושה קבוצות עיקריות: מוליכים, מוליכים חצי-נמחצים ובודדים.
מוליכים יש להם מוליכות חשמלית גבוהה כי להם הרבה אלקטרונים חופשיים שיכולות בקלות לשאת זרם חשמלי. מוליכים בדרך כלל יש להם 1, 2 או 3 אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם.
מוליכים חצי-נמחצים יש להם מוליכות חשמלית בינונית כי להם מעט אלקטרונים חופשיים שיכולות לשאת זרם חשמלי בתנאים מסוימים. מוליכים חצי-נמחצים בדרך כלל יש להם 4 אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם.
בודדים יש להם מוליכות חשמלית נמוכה כי להם מעט מאוד או אין להם אלקטרונים חופשיים שיכולות לשאת זרם חשמלי. בודדים בדרך כלל יש להם 5 או יותר אלקטרונים חיצוניים באטומים שלהם.
חומרים אלו נמצאים בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים שונים, כגון טרנזיסטורים, דיודות, תאים סולריים, LEDs, לייזרים ומעגלים משולבים. המכשירים הללו מנצלים את התכונות הייחודיות של החומרים הללו, כגון יכולתם לעבור בין מצבים מוליכים למצבים מבודדים, רגישותם לאור וטמפרטורה, וpatibilityם עם חומרים אחרים.
