Miben különböznek a valenciai elektronok és az elektromos vezetőképesség?

Mi a valenciabeli elektronok és az elektromos vezetés?

Valenciabeli elektronok definíciója

Egy atom magját protonok és neutronok alkotják, míg az elektronok rétegeiben helyezkednek el körülötte. Az atommag pozitívan töltött, míg az elektronok negatívan. Az atomban egyenlő számú proton és elektron található, így az atom elektromosan semleges.

Az atom elektronjai energiaszintjük alapján rendeződnek rétegekbe. A legközelebbi réteg az atommaghoz tartozik, ami a legkevesebb energiával rendelkezik, míg a legtávolabbiról beszélve a legnagyobb energiával. Minden rétegnek van maximális kapacitása: az első réteg legfeljebb 2, a második legfeljebb 8 elektront tud fogadni, és így tovább.

A valenciabeli elektronok az atom legkülső rétegében találhatók. Ők vesznek részt kémiai kötések kialakításában, és hatással lehetnek az elektromos vagy mágneses mezőkre. A valenciabeli elektronok száma 1 és 8 között változik, attól függően, hogy milyen elemről van szó.

A valenciabeli elektronok kulcsszerepet játszanak az elem fizikai, kémiai és elektromos tulajdonságainak meghatározásában. Hasonló valenciabeli elektronokkal rendelkező elemek általában hasonló reaktivitást és kötéstípusokat mutatnak. Különböző számú valenciabeli elektron eredményez különböző elektromos vezetőképességet és anyagtípust.

Elektromos vezetés

Az elektromos vezetés azt méri, hogy mennyire engedélyezi egy anyag, hogy áram jusson keresztül rajta. Az elektromos áram mozgó elektromos töltésekből áll, amelyeket általában szabad elektronok vagy ionok hordoznak. A magas vezetőképességű anyagok könnyen engedélyezik az áramot, míg a kevésbé vezetőképes anyagok ellenállnak annak áthaladásának.

Egy anyag elektromos vezetését több tényező befolyásolja, mint például a hőmérséklet, a szerkezet, a kompozíció és a tisztaság. Azonban a legfontosabb tényező a szabad elektronok száma és viselkedése az anyagban.

A szabad elektronok olyan valenciabeli elektronok, amelyek nem erősen kötődnek a szülő atomukhoz, és szabadon mozoghatnak az anyagban. Ezek az elektronok válaszolhatnak egy alkalmazott elektromos mezőre vagy potenciális különbségre, és egy irányba tolódhatnak, ezzel elektromos áramot hozva létre.

A szabad elektronok száma és viselkedése az anyagban a konstituens atomok valenciabeli elektronjainak számától függ. Általában, a kevesebb valenciabeli elektronnal rendelkező anyagok több szabad elektronra tesznek szert, míg a több valenciabeli elektronnal rendelkező anyagok kevesebb szabad elektronra tesznek szert.

Az elektromos vezetésük és a valenciabeli elektronok számuk alapján az anyagok három fő csoportba oszthatók: vezetők, féligvezetők és izolátorok.

Vezetők

A vezetők magas elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel sok szabad elektronuk van, amelyek könnyen hordozhatják az elektromos áramot. A vezetők általában egy, két vagy három valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban. Ezek a valenciabeli elektronok magas energiaszinttel rendelkeznek, és gyenge módon kötődnek a szülő atomukhoz. Könnyen szabadulhatnak a szülő atomuktól, vagy mozoghatnak az anyagban, amikor elektromos mezőt vagy potenciális különbséget alkalmaznak.

A legtöbb fém jó vezetője az elektromos áramnak, mert kevesebb valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban. Például a réz egy valenciabeli elektron, a mágnézium két valenciabeli elektron, míg az alumínium három valenciabeli elektronnal rendelkezik. Ezek a fémek számos szabad elektronnal rendelkeznek kristályrácsukban, amelyek szabadon mozoghatnak, amikor elektromos mezőt alkalmaznak.

Néhány nemfém is vezetőnek tekinthet bizonyos körülmények között. Például a grafit (a szén egy formája) négy valenciabeli elektronnal rendelkezik az atomjaiban, de csak háromból használja fel a hexagonális rácsban található másik szénatomokkal való kötésekhez. A negyedik valenciabeli elektron szabadon mozoghat a rácson, amikor elektromos mezőt alkalmaznak.

Féligvezetők

A féligvezetők közepes elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel kevesebb szabad elektronuk van, amelyek bizonyos körülmények között hordozhatják az elektromos áramot. A féligvezetők általában négy valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban, mint például a szén, a krisztalizált silícium és a germa. Ezek a valenciabeli elektronok használják fel a többi atommal való kötésekhez szükséges energiát rendszeres rácsstruktúrában. Azonban szobahőmérsékleten néhány ilyen valenciabeli elektron elegendő energiát nyer, hogy szabaduljon a kötéseitől, és szabad elektronokká változzon. Ezek a szabad elektronok elektromos áramot hozhatnak létre, amikor elektromos mezőt alkalmaznak.

Azonban a tiszta féligvezetőkben a szabad elektronok száma nagyon alacsony, és az elektromos vezetőképesség nagyon rossz. Ezért a féligvezetőket gyakran impuritás-atomokkal döntenek, amelyeknek több vagy kevesebb valenciabeli elektronja van, mint a házigazda atomoknak. Ez létesíti a féligvezetőben a szabad elektronok túlzását vagy hiányát, ami növeli az elektromos vezetőképességét.

Két típusú dötés létezik: n-típusú és p-típusú. Az n-típusú dötés során impuritás-atomokat, amelyeknek öt valenciabeli elektronja van, mint például a foszfor vagy az arzen, adják a féligvezetőhöz. Ezek az atomok egy extra valenciabeli elektront adnak a féligvezetőnek, ami negatív töltésű hordozót, azaz elektront hoz létre. A p-típusú dötés során impuritás-atomokat, amelyeknek három valenciabeli elektronja van, mint például a bor vagy a gallium, adják a féligvezetőhöz. Ezek az atomok egy valenciabeli elektront vesznek át a féligvezetőtől, ami pozitív töltésű hordozót, azaz lyukat hoz létre.

A féligvezetőket széles körben használják különböző elektronikus eszközökben, mint például tranzisztorok, diodák, napelemek, fénykibocsató diodák (LED), lézeres eszközök és integrált áramkörök. Ezek az eszközök kihasználják a féligvezetők egyedi tulajdonságait, mint például a vezető és izolátor állapotok közötti váltási képességüket, fény- és hőérzékenységüket, valamint kompatibilitásukat más anyagokkal.

Izolátorok

Az izolátorok alacsony elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel nagyon kevés vagy egyáltalán nincs szabad elektronjuk, amelyek hordozhatnák az elektromos áramot. Az izolátorok általában öt vagy több valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban. Ezek a valenciabeli elektronok erősen kötődnek a szülő atomukhoz, és nagy mennyiségű energiát igényelnek, hogy szabaduljanak vagy lejjebb legyenek birtokolva. Ezért az izolátorok nem válaszolnak alkalmazott elektromos mezőre vagy potenciális különbségre, és ellenállnak vagy blokkolják az elektromos áram áthaladását.

A legtöbb nemfém jó izolátorja az elektromos áramnak, mert sok valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban. Például a nitrogénnek öt, a szafránhatvanasnak hat, a neonnak pedig nyolc valenciabeli elektronja van. Ezek az elemek nincsenek szabad elektronokkal ellátva, és nem engedélyezik, hogy az elektromos áram áthaladjon rajtuk.

Néhány anyag izolátor lehet bizonyos körülmények között. Például a üveg és a gumi jó izolátorok a szobahőmérsékleten, de magas hőmérsékleten, amikor néhány valenciabeli elektronuk elegendő energiát nyer, hogy szabad elektronokká változzon, vezetővé válhatnak.

Az izolátorok főleg arra szolgálnak, hogy megakadályozzák, hogy az elektromos áram áthaladjon, ahol nem kívánt vagy szükséges. Például az izolátorokat használják drótok és kábelek bevonatolására, hogy megvédjék őket rövidzárlattól és elektromos sokkolástól. Az izolátorokat használják különböző elektromos eszközök vagy áramkörök részeit szétválasztandó, hogy megakadályozzák a nemkívánt interakciókat vagy zavarokat.

Összegzés

A valenciabeli elektronok az atom legkülső rétegében található elektronok, amelyek részt vehetnek a kémiai kötések kialakításában és az elektromos áram hordozásában. A valenciabeli elektronok száma és elrendezése meghatározza egy elem számos fizikai, kémiai és elektromos tulajdonságát.

Az elektromos vezetés azt méri, hogy mennyire engedélyezi egy anyag, hogy áram jusson keresztül rajta. Az elektromos vezetés több tényezőtől függ, mint például a szabad elektronok száma és viselkedése az anyagban.

Az elektromos vezetésük és a valenciabeli elektronok számuk alapján az anyagok három fő csoportba oszthatók: vezetők, féligvezetők és izolátorok.

A vezetők magas elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel sok szabad elektronuk van, amelyek könnyen hordozhatják az elektromos áramot. A vezetők általában egy, két vagy három valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban.

A féligvezetők közepes elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel kevesebb szabad elektronuk van, amelyek bizonyos körülmények között hordozhatják az elektromos áramot. A féligvezetők általában négy valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban.

Az izolátorok alacsony elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mivel nagyon kevés vagy egyáltalán nincs szabad elektronjuk, amelyek hordozhatnák az elektromos áramot. Az izolátorok általában öt vagy több valenciabeli elektronnal rendelkeznek az atomjaikban.

Ezek az anyagok különböző alkalmazásokban használhatók különböző elektronikus eszközökben, mint például tranzisztorok, diodák, napelemek, LED-ek, lézeres eszközök és integrált áramkörök. Ezek az eszközök kihasználják ezek az anyagok egyedi tulajdonságait, mint például a vezető és izolátor állapotok közötti váltási képességüket, fény- és hőérzékenységüket, valamint kompatibilitásukat más anyagokkal.