Kas ir valentnes elektroni un elektriskā vedņība

Kādi ir valents elektroni un elektriskā vedība?

Valenta elektronu definīcija

Atoms sastāv no kodola, kurā atrodas protoni un neutrini, un elektroni, kas atrodas ap to savos slāņos. Kodsols ir pozitīvi uzlādēts, bet elektroni ir negatīvi uzlādēti. Atomi ir elektriski neitrāli, jo tiem ir vienāda skaits protoniem un elektroniem.

Atoma elektroni ir sakārtoti slāņos atkarībā no to enerģijas līmeņa. Tuvinākais slānis kodolam ir ar zemo enerģiju, kamēr tālākais slānis ir ar augsto enerģiju. Katram slānim ir maksimāla elektronu ietilpība: pirmajam slānim var būt līdz 2, otrajam līdz 8 un tā tālāk.

Valenti elektroni ir elektroni, kas atrodas atomu ārējā slānī. Tie piedalās ķīmiskajos saikos un var tikt ietekmēti elektromagnētiskajā laukā. Valenta elektronu skaits var mainīties no 1 līdz 8, atkarībā no elementa.

Valenti elektroni ir kritiski svarīgi, lai noteiktu elementa fiziskās, ķīmiskās un elektriskās īpašības. Elementi ar līdzīgu valenta elektronu skaitu parasti ir ar līdzīgu reaktivitāti un saiknes veidu. Dažāds valenta elektronu skaits rezultē dažādās elektriskās vedības un materiālu veidos.

Elektriskā vedība

Elektriskā vedība mēra, cik labi materiāls ļauj elektrostrāvei plūst cauri tam. Elektrostrāva sastāv no kustīgām elektriskām lādēm, parasti nesāmies brīvajiem elektroniem vai jonām. Augstās vedības materiāli viegli nosūta strāvi, bet zemas vedības materiāli to pretojas.

Materiāla elektriskā vedība atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram, tā temperatūras, struktūras, sastāva un tīrības. Tomēr viens no svarīgākajiem faktoriem ir brīvo elektronu skaits un rīcība materiālā.

Brīvie elektroni ir valenta elektroni, kas nav cieši saistīti ar savu maternālo atomu un var brīvi kustēties materiālā. Šie ir elektroni, kas var reaģēt uz piemērotu elektrisko lauku vai potenciālu starpību un plūst vienā virzienā, radot elektrostrāvi.

Brīvo elektronu skaits un rīcība materiālā noteikti atkarībā no valenta elektronu skaita tā sastāvā esošajos atomos. Parasti materiāli ar mazāku valenta elektronu skaitu tendē uz lielāku brīvo elektronu skaitu, savukārt materiāli ar lielāku valenta elektronu skaitu tendē uz mazāku brīvo elektronu skaitu.

Balstoties uz tos savu elektrisko vedību un valenta elektronu skaitu, materiālus var sadalīt trīs galvenos grupās: vedēji, pusvedēji un izolatori.

Vedēji

Vedēji ir materiāli, kuriem ir augsta elektriskā vedība, jo tiem ir daudz brīvo elektronu, kas viegli var nesēt elektrostrāvi. Vedēji parasti ir ar vienu, diviem vai trim valenta elektronu skaitu savos atomos. Šie valenta elektroni ir ar augstu enerģijas līmeni un cieši nav saistīti ar savu maternālo atomu. Viņi viegli var atdalīties no saviem atomiem vai kustēties materiālā, kad tiek piemērots elektriskais lauks vai potenciāla starpība.

Lielākā daļa metālu ir labi elektrovedēji, jo tiem ir maz valenta elektronu savos atomos. Piemēram, vaiss nav tikai vienu valenta elektronu, magnijs divus valenta elektronu, un alumiņijs trīs valenta elektronu. Šie metāli ir ar daudziem brīvo elektronu kristālstruktūrā, kas var brīvi kustēties, kad tiek piemērots elektriskais lauks.

Daži nemetāli var arī darboties kā vedēji noteiktās apstākļos. Piemēram, grafitis (ogļa forma) ir ar četriem valenta elektronu savos atomos, bet tikai trīs no tiem tiek izmantoti saiknei ar citiem ogļa atomiem heksagonālā gardā. Ceturtais valenta elektrons ir brīvs, lai kustētos pa gardu, kad tiek piemērots elektriskais lauks.

Pusvedēji

Pusvedēji ir materiāli, kuriem ir vidēja elektriskā vedība, jo tiem ir maz brīvo elektronu, kas var nesēt elektrostrāvi noteiktās apstākļos. Pusvedēji ir materiāli, kuriem ir četri valenta elektronu savos atomos, piemēram, ogles, silīcijs un germaņijs. Šie valenta elektroni tiek izmantoti saiknei ar citiem atomiem regulārā gardā struktūrā. Tomēr, pie istabas temperatūras, daži no šiem valenta elektronu var iegūt pietiekami daudz enerģijas, lai atbrīvotos no savu saikņu un kļūtu par brīvo elektronu. Šie brīvie elektroni var tad nesēt elektrostrāvi, kad tiek piemērots elektriskais lauks.

Tomēr, tīra pusvedēja brīvo elektronu skaits ir ļoti mazs, un elektriskā vedība ir ļoti sliktā. Tāpēc pusvedēji parasti tiek dopēti ar impuritātes atomiem, kuriem ir vai nu vairāk, vai mazāk valenta elektronu nekā maternālie atomi. Tas rada pārpalikumu vai deficītu brīvo elektronu pusvedējā, kas palielina tā elektrisko vedību.

Ir divi dopēšanas veidi: n-tipa un p-tipa. N-tipa dopēšanā impuritātes atomi ar pieciem valenta elektronu, piemēram, fosfora vai arsēna, tiek pievienoti pusvedējam. Šie atomi dod papildu vienu valenta elektronu pusvedējam, radot negatīvu lādes nesenājuma, ko sauc par elektronu. P-tipa dopēšanā impuritātes atomi ar trim valenta elektronu, piemēram, borāns vai gāllis, tiek pievienoti pusvedējam. Šie atomi pieņem vienu valenta elektronu no pusvedēja, radot pozitīvu lādes nesenājuma, ko sauc par dzirnavu.

Pusvedēji plaši tiek izmantoti dažādos elektroniskajos ierīču, piemēram, tranzistoros, diodēs, saules baterijās, gaismas emitojošos diodēs (LED), lazeros un integrētajos shēmās. Šīs ierīces izmanto pusvedēju unikālas īpašības, piemēram, spēju pārslēgties starp vedēju un izolatora stāvokļiem, jutību pret gaismu un temperatūru, un saderību ar citiem materiāliem.

Izolatori

Izolatori ir materiāli, kuriem ir zema elektriskā vedība, jo tiem ir ļoti mazs vai vispār nav brīvo elektronu, kas var nesēt elektrostrāvi. Izolatori parasti ir ar pieciem vai vairāk valenta elektronu savos atomos. Šie valenta elektroni ir cieši saistīti ar savu maternālo atomu un prasa daudz enerģijas, lai tikt atdalīti vai uzsvērti. Tāpēc izolatori neatbild gan piemērotam elektriskajam laukam, gan potenciāla starpībai, un pretojas vai bloķē elektrostrāves plūsmu.

Lielākā daļa nemetālu ir labi elektroizolatori, jo tiem ir daudz valenta elektronu savos atomos. Piemēram, salmiņš ir ar pieciem valenta elektronu, siess ir ar sešiem valenta elektronu, un neonis ir ar astoņiem valenta elektronu. Šie elementi nav ar brīvo elektronu savā struktūrā un nedod elektrostrāvei plūst cauri tiem.

Daži materiāli var arī darboties kā izolatori noteiktās apstākļos. Piemēram, stikls un gumijas ir labi izolatori pie istabas temperatūras, bet var kļūt par vedējiem augstās temperatūrās, kad daži no tiem valenta elektronu iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai kļūtu par brīvo elektronu.

Izolatori galvenokārt tiek izmantoti, lai novērstu elektrostrāves plūsmu, kur tā nav nepieciešama. Piemēram, izolatori tiek izmantoti, lai apklātu vadi un kabeļus, lai aizsargātu tos no īsām saitiem un elektrotraumu. Izolatori tiek arī izmantoti, lai atdalītu dažādas elektroniskās ierīces vai shēmas daļas, lai novērstu nevēlamās interakcijas vai interferenci.

Secinājums

Valenti elektroni ir elektroni, kas atrodas atomu ārējā slānī un var piedalīties ķīmiskajos saikos un elektriskajā strāvē. Valenta elektronu skaits un sakārtojums noteik daudzas fiziškas, ķīmiskās un elektriskās īpašības elementam.

Elektriskā vedība ir mērs, kā labi materiāls ļauj elektrostrāvei plūst cauri tam. Elektriskā vedība atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram, no brīvo elektronu skaita un rīcības materiālā.

Balstoties uz tos savu elektrisko vedību un valenta elektronu skaitu, materiālus var sadalīt trīs galvenos grupās: vedēji, pusvedēji un izolatori.

Vedējiem ir augsta elektriskā vedība, jo tiem ir daudz brīvo elektronu, kas viegli var nesēt elektrostrāvi. Vedēji parasti ir ar vienu, diviem vai trim valenta elektronu skaitu savos atomos.

Pusvedējiem ir vidēja elektriskā vedība, jo tiem ir maz brīvo elektronu, kas var nesēt elektrostrāvi noteiktās apstākļos. Pusvedēji parasti ir ar četriem valenta elektronu skaitu savos atomos.

Izolatoriem ir zema elektriskā vedība, jo tiem ir ļoti mazs vai vispār nav brīvo elektronu, kas var nesēt elektrostrāvi. Izolatori parasti ir ar pieciem vai vairāk valenta elektronu skaitu savos atomos.

Šie materiāli tiek izmantoti dažādos elektroniskajos ierīču, piemēram, tranzistoros, diodēs, saules baterijās, LED, lazeros un integrētajos shēmās. Šīs ierīces izmanto šo materiālu unikālas īpašības, piemēram, spēju pārslēgties starp vedēju un izolatora stāvokļiem, jutību pret gaismu un temperatūru, un saderību ar citiem materiāliem.