वैलेंस इलेक्ट्रॉन और विद्युत संचालकता क्या हैं?

वैलेंस इलेक्ट्रॉन और विद्युत संचालकता क्या हैं?

वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की परिभाषा

एक परमाणु में प्रोटोन और न्यूट्रॉन युक्त एक केंद्रक होता है, जिसके चारों ओर इलेक्ट्रॉन शेल्स में होते हैं। केंद्रक धनात्मक आवेशित होता है, और इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेशित होते हैं। परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं क्योंकि उनमें प्रोटोन और इलेक्ट्रॉन की संख्या समान होती है।

परमाणु में इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा स्तरों के आधार पर शेल्स में व्यवस्थित होते हैं। केंद्रक के सबसे निकट की शेल न्यूनतम ऊर्जा वाली होती है, जबकि सबसे दूर की शेल अधिकतम ऊर्जा वाली होती है। प्रत्येक शेल में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम क्षमता होती है: पहली शेल 2 तक, दूसरी शेल 8 तक, और इसी प्रकार।

वैलेंस इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बाहरी शेल में वाले इलेक्ट्रॉन होते हैं। वे रासायनिक बंधन और विद्युत क्षेत्र या चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होते हैं। तत्व के अनुसार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या 1 से 8 तक भिन्न होती है।

वैलेंस इलेक्ट्रॉन तत्व के भौतिक, रासायनिक और विद्युतीय गुणों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण होते हैं। समान वैलेंस इलेक्ट्रॉनों वाले तत्व आमतौर पर समान रासायनिक गतिविधि और बंधन प्रकार दर्शाते हैं। विभिन्न संख्या में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के कारण विद्युत संचालकता और सामग्री के प्रकार में भिन्नता होती है।

विद्युत संचालकता

विद्युत संचालकता एक सामग्री की यह माप है कि वह विद्युत धारा को कितनी आसानी से अपने माध्यम से प्रवाहित करने देती है। विद्युत धारा सामान्यतः गतिशील विद्युत आवेशों, आमतौर पर स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों या आयनों द्वारा ले जाई जाती है। उच्च संचालकता वाली सामग्रियाँ आसानी से धारा का संचालन करती हैं, जबकि निम्न संचालकता वाली सामग्रियाँ इसे रोकती हैं।

सामग्री की विद्युत संचालकता कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे उसका तापमान, संरचना, संरचना और शुद्धता। हालांकि, सबसे महत्वपूर्ण कारकों में से एक सामग्री में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की संख्या और व्यवहार है।

स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन वे वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं जो अपने माता-पिता परमाणुओं से बंधे नहीं होते और सामग्री के भीतर स्वतंत्र रूप से गतिशील होते हैं। ये इलेक्ट्रॉन एक लगाए गए विद्युत क्षेत्र या विभवांतर का प्रतिक्रिया कर सकते हैं और एक दिशा में फिसल सकते हैं, जिससे विद्युत धारा बनती है।

सामग्री में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की संख्या और व्यवहार उसके घटक परमाणुओं में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या से निर्धारित होता है। आमतौर पर, कम वैलेंस इलेक्ट्रॉनों वाली सामग्रियाँ अधिक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की वाहक होती हैं, जबकि अधिक वैलेंस इलेक्ट्रॉनों वाली सामग्रियाँ कम स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की वाहक होती हैं।

अपनी विद्युत संचालकता और वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या के आधार पर, सामग्रियाँ तीन मुख्य समूहों में वर्गीकृत की जा सकती हैं: संचालक, अर्धचालक, और अचालक।

संचालक

संचालक वे सामग्रियाँ होती हैं जिनमें उच्च विद्युत संचालकता होती है क्योंकि उनमें बहुत सारे स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन होते हैं जो आसानी से विद्युत धारा का संचालन कर सकते हैं। संचालक आमतौर पर अपने परमाणुओं में एक, दो, या तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये वैलेंस इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर वाले होते हैं और अपने माता-पिता परमाणुओं से ढीले बंधे होते हैं। वे आसानी से अपने परमाणुओं से छूट सकते हैं या जब एक विद्युत क्षेत्र या विभवांतर लगाया जाता है तो सामग्री के भीतर गतिशील हो सकते हैं।

अधिकांश धातुएं विद्युत की अच्छी संचालक होती हैं क्योंकि उनमें अपने परमाणुओं में कम वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। उदाहरण के लिए, तांबा एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन, मैग्नीशियम दो वैलेंस इलेक्ट्रॉन, और एल्यूमिनियम तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये धातुएं अपने फ्रेस्टल संरचना में बहुत सारे स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन होते हैं जो जब एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है तो आसानी से गतिशील हो सकते हैं।

कुछ गैर-धातुएं भी निश्चित परिस्थितियों में संचालक के रूप में कार्य कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, ग्राफाइट (कार्बन का एक रूप) अपने परमाणुओं में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, लेकिन उनमें से तीन कार्बन परमाणुओं के बीच हेक्सागोनल लैटिस में बंधन के लिए उपयोग किए जाते हैं। चौथा वैलेंस इलेक्ट्रॉन जब एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है तो लैटिस के साथ गतिशील हो सकता है।

अर्धचालक

अर्धचालक वे सामग्रियाँ होती हैं जिनमें निश्चित परिस्थितियों में विद्युत धारा का संचालन करने वाले कुछ स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए वे मध्यम विद्युत संचालकता वाली होती हैं। अर्धचालक वे सामग्रियाँ होती हैं जिनमें अपने परमाणुओं में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जैसे कार्बन, सिलिकॉन, और जर्मेनियम। ये वैलेंस इलेक्ट्रॉन अन्य परमाणुओं के साथ नियमित लैटिस संरचना में बंधन के लिए उपयोग किए जाते हैं। हालांकि, कमरे के तापमान पर, इनमें से कुछ वैलेंस इलेक्ट्रॉन अपने बंधनों से मुक्त होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं और स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन बन सकते हैं। ये स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन जब एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है तो विद्युत धारा का संचालन कर सकते हैं।

हालांकि, शुद्ध अर्धचालक में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की संख्या बहुत कम होती है, और विद्युत संचालकता बहुत खराब होती है। इसलिए, अर्धचालक अक्सर ऐसे विषम परमाणुओं से डोपित किए जाते हैं जिनमें या तो अधिक या कम वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। यह अर्धचालक में स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की अतिरिक्तता या कमी पैदा करता है, जिससे इसकी विद्युत संचालकता बढ़ जाती है।

डोपिंग के दो प्रकार होते हैं: n-प्रकार और p-प्रकार। n-प्रकार डोपिंग में, पाँच वैलेंस इलेक्ट्रॉन वाले विषम परमाणु, जैसे फास्फोरस या आर्सेनिक, अर्धचालक में जोड़े जाते हैं। ये परमाणु अर्धचालक को एक अतिरिक्त वैलेंस इलेक्ट्रॉन देते हैं, जिससे एक नकारात्मक आवेश वाहक बनता है जिसे इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। p-प्रकार डोपिंग में, तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन वाले विषम परमाणु, जैसे बोरोन या गैलियम, अर्धचालक में जोड़े जाते हैं। ये परमाणु अर्धचालक से एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन स्वीकार करते हैं, जिससे एक धनात्मक आवेश वाहक बनता है जिसे होल कहा जाता है।

अर्धचालक विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जैसे ट्रांजिस्टर, डायोड, सौर सेल, प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED), लेजर, और एकीकृत सर्किट में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। ये उपकरण अर्धचालकों के विशिष्ट गुणों, जैसे उनकी चालक और अचालक अवस्थाओं के बीच स्विच करने की क्षमता, प्रकाश और तापमान के प्रति संवेदनशीलता, और अन्य सामग्रियों के साथ संगतता का लाभ उठाते हैं।

अचालक

अचालक वे सामग्रियाँ होती हैं जिनमें विद्युत धारा को प्रवाहित करने वाले बहुत कम या कोई स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन नहीं होते, इसलिए वे निम्न विद्युत संचालकता वाली होती हैं। अचालक आमतौर पर अपने परमाणुओं में पाँच या अधिक वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये वैलेंस इलेक्ट्रॉन अपने माता-पिता परमाणुओं से मजबूत रूप से बंधे होते हैं और उन्हें छुड़ाने या उत्तेजित करने के लिए बहुत ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, अचालक लगाए गए विद्युत क्षेत्र या विभवांतर पर प्रतिक्रिया नहीं करते और विद्युत धारा के प्रवाह को रोकते या बाधा देते हैं।

अधिकांश गैर-धातुएं विद्युत की अच्छी अचालक होती हैं क्योंकि उनमें अपने परमाणुओं में बहुत सारे वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन में पाँच वैलेंस इलेक्ट्रॉन, सल्फर में छह वैलेंस इलेक्ट्रॉन, और नीऑन में आठ वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये तत्व अपनी संरचना में कोई स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन नहीं होते और विद्युत धारा को अपने माध्यम से प्रवाहित नहीं करते।