Što su valentni elektroni i električna vodljivost

Što su valentni elektroni i električna vodljivost?

Definicija valentnih elektrona

Atom sastavljen je od jezgra koje sadrži protonima i neutronima, s elektronima u ljusci oko njega. Jezgro je pozitivno naelektrisan, a elektroni su negativno naelektrisani. Atomi su električno neutralni jer imaju jednak broj protona i elektrona.

Elektroni u atomu su raspoređeni u ljuske prema svojim energetskim razinama. Ljuska najbliža jezgru ima najmanju energiju, dok najudaljenija ljuska ima najveću energiju. Svaka ljuska ima maksimalnu kapacitet za elektrone: prva ljuska može sadržavati do 2, druga do 8, i tako dalje.

Valentni elektroni su elektroni u najudaljenijoj ljusci atoma. Uključuju se u kemijsko vezanje i mogu biti utjecani električnim ili magnetskim poljima. Broj valentnih elektrona varira od 1 do 8, ovisno o elementu.

Valentni elektroni su ključni za određivanje fizičkih, kemijskih i električnih svojstava elementa. Elementi sličnim brojem valentnih elektrona obično imaju sličnu reaktivnost i tipove vezanja. Različiti brojevi valentnih elektrona rezultiraju različitim stopama električne vodljivosti i vrstama materijala.

Električna vodljivost

Električna vodljivost mjeri koliko dobro materijal dopušta protok električnog struja kroz sebe. Električna struja sastoji se od pokretnih električnih naboja, obično nosivih slobodnim elektronima ili ionima. Materijali s visokom vodljivošću lako provode struju, dok materijali s niskom vodljivošću suprotstavljaju strujanju.

Električna vodljivost materijala ovisi o nekoliko faktora, poput temperature, strukture, sastava i čistoće. Međutim, jedan od najvažnijih faktora je broj i ponašanje slobodnih elektrona u materijalu.

Slobodni elektroni su valentni elektroni koji nisu čvrsto vezani za svoje roditeljske atome i mogu se slobodno krećuti unutar materijala. To su elektroni koji mogu odgovoriti na primijenjeno električno polje ili potencijalnu razliku i drifirati u jednom smjeru, stvarajući električnu struju.

Broj i ponašanje slobodnih elektrona u materijalu ovisi o broju valentnih elektrona u njegovim sastavnim atomima. Općenito, materijali s manjim brojem valentnih elektrona obično imaju više slobodnih elektrona, dok materijali s većim brojem valentnih elektrona obično imaju manje slobodnih elektrona.

Na temelju svoje električne vodljivosti i broja valentnih elektrona, materijali se mogu klasificirati u tri glavne skupine: vodiči, poluvodiči i izolatori.

Vodiči

Vodiči su materijali s visokom električnom vodljivošću jer imaju mnogo slobodnih elektrona koji lako mogu nositi električnu struju. Vodiči obično imaju jedan, dva ili tri valentna elektrona u svojim atomima. Ovi valentni elektroni imaju visoke energetske razine i slabo su vezani za svoje roditeljske atome. Mogu lako odvojiti se od svojih atoma ili se krećuti unutar materijala kada je primijenjeno električno polje ili potencijalna razlika.

Većina metala su dobri vodiči električne struje jer imaju malo valentnih elektrona u svojim atomima. Na primjer, bakar ima jedan valentni elektron, magnezij ima dva valentna elektrona, a aluminij ima tri valentna elektrona. Ovi metali imaju mnogo slobodnih elektrona u svojoj kristalnoj strukturi koji se slobodno mogu krećuti kada je primijenjeno električno polje.

Neki nemetali također mogu djelovati kao vodiči pod određenim uvjetima. Na primjer, grafit (oblik ugljika) ima četiri valentna elektrona u svojim atomima, ali samo tri od njih koriste za vezanje s drugim atomsima ugljika u šesterokutnoj mreži. Četvrti valentni elektron slobodno se može krećuti duž mreže kada je primijenjeno električno polje.

Poluvodiči

Poluvodiči su materijali s umjereno električnom vodljivošću jer imaju malo slobodnih elektrona koji mogu nositi električnu struju pod određenim uvjetima. Poluvodiči su materijali s četiri valentna elektrona u svojim atomima, poput ugljika, kremnijuma i germanijuma. Ovi valentni elektroni koriste se za vezanje s drugim atomima u regularnoj mrežnoj strukturi. Međutim, pri sobnoj temperaturi, neki od ovih valentnih elektrona mogu završiti dovoljno energije da se oslobode od svojih veza i postanu slobodni elektroni. Ovi slobodni elektroni mogu tada nositi električnu struju kada je primijenjeno električno polje.

Međutim, broj slobodnih elektrona u čistom poluvodiču je vrlo nizak, a električna vodljivost je vrlo loša. Stoga, poluvodiči često su dotirani s impureznim atomima koji imaju ili više ili manje valentnih elektrona od domaćih atoma. To stvara nadmjeru ili nedostatak slobodnih elektrona u poluvodiču, što povećava njegovu električnu vodljivost.

Postoje dvije vrste dotiranja: n-tip i p-tip. U n-tip dotiranju, impurezni atomi s pet valentnih elektrona, poput fosfora ili arsena, dodaju se poluvodiču. Ovi atomi doniraju jedan dodatni valentni elektron poluvodiču, stvarajući negativni nosač naboja, elektron. U p-tip dotiranju, impurezni atomi s tri valentna elektrona, poput borana ili galija, dodaju se poluvodiču. Ovi atomi prihvaćaju jedan valentni elektron od poluvodiča, stvarajući pozitivni nosač naboja, rupa.

Poluvodiči se široko koriste u raznim elektronskim uređajima, poput tranzistora, dijoda, solarnih celija, svjetlucih dijoda (LED), laserskih uređaja i integriranih kola. Ovi uređaji iskorištavaju jedinstvena svojstva poluvodiča, poput njihove sposobnosti da prelaze između stanja vodljivosti i izoliranosti, osjetljivosti na svjetlost i temperaturu, te kompatibilnosti s drugim materijalima.

Izolatori

Izolatori su materijali s niskom električnom vodljivošću jer imaju vrlo malo ili nema slobodnih elektrona koji mogu nositi električnu struju. Izolatori obično imaju pet ili više valentnih elektrona u svojim atomima. Ovi valentni elektroni su jako vezani za svoje roditeljske atome i zahtijevaju puno energije da bi se odvojili ili uzbuđeni. Stoga, izolatori ne reagiraju na primijenjeno električno polje ili potencijalnu razliku i suprotstavljaju ili blokiraju protok električne struje.

Većina nemetala su dobri izolatori električne struje jer imaju mnogo valentnih elektrona u svojim atomima. Na primjer, azot ima pet valentnih elektrona, sirovac ima šest valentnih elektrona, a neon ima osam valentnih elektrona. Ovi elementi nemaju slobodnih elektrona u svojoj strukturi i ne dopuštaju protok električne struje kroz sebe.

Neki materijali mogu djelovati kao izolatori pod određenim uvjetima. Na primjer, staklo i guma su dobri izolatori pri sobnoj temperaturi, ali mogu postati vodiči na visokim temperaturama kada neki od njihovih valentnih elektrona završite dovoljno energije da postanu slobodni elektroni.

Izolatori se uglavnom koriste za sprječavanje protoka električne struje tamo gdje nije željena ili potrebna. Na primjer, izolatori se koriste za oblaganje žica i kabela kako bi se zaštitili od kratičnih spojeva i električnih udara. Izolatori se također koriste za razdvajanje različitih dijelova elektronskog uređaja ili kola kako bi se sprečile neželjene interakcije ili interferencije.

Zaključak

Valentni elektroni su elektroni u najudaljenijoj ljusci atoma koji mogu sudjelovati u kemijskom vezanju i električnoj struji. Broj i raspored valentnih elektrona određuju mnoga fizička, kemijska i električna svojstva elementa.

Električna vodljivost je mjera toga koliko dobro materijal dopušta protok električne struje kroz sebe. Električna vodljivost ovisi o nekoliko faktora, poput broja i ponašanja slobodnih elektrona u materijalu.

Na temelju svoje električne vodljivosti i broja valentnih elektrona, materijali se mogu klasificirati u tri glavne skupine: vodiči, poluvodiči i izolatori.

Vodiči imaju visoku električnu vodljivošću jer imaju mnogo slobodnih elektrona koji lako mogu nositi električnu struju. Vodiči obično imaju jedan, dva ili tri valentna elektrona u svojim atomima.

Poluvodiči imaju umjerenu električnu vodljivošću jer imaju malo slobodnih elektrona koji mogu nositi električnu struju pod određenim uvjetima. Poluvodiči obično imaju četiri valentna elektrona u svojim atomima.

Izolatori imaju nisku električnu vodljivošću jer imaju vrlo malo ili nema slobodnih elektrona koji mogu nositi električnu struju. Izolatori obično imaju pet ili više valentnih elektrona u svojim atomima.

Ovi materijali imaju različite primjene u raznim elektronskim uređajima, poput tranzistora, dijoda, solarnih celija, LED-ova, laserskih uređaja i integriranih kola. Ovi uređaji iskorištavaju jedinstvena svojstva ovih materijala, poput njihove sposobnosti da prelaze između stanja vodljivosti i izoliranosti, osjetljivosti na svjetlost i temperaturu, te kompatibilnosti s drugim materijalima.