Hva er ytre elektroner og elektrisk ledningsevne

Hva er valenselektroner og elektrisk ledningsevne?

Definisjon av valenselektroner

Et atom består av et kjernen som inneholder protoner og nøytroner, med elektroner i skall rundt det. Kjernen er positivt ladd, og elektronene er negativt ladd. Atomer er elektrisk nøytrale fordi de har like mange protoner som elektroner.

Elektroner i et atom er organisert i skall basert på deres energinivå. Det nærmeste skallet til kjernen har den laveste energien, mens det lengste skallet har den høyeste energien. Hvert skall har en maksimal kapasitet for elektroner: det første skallet kan inneholde opptil 2, det andre opptil 8, osv.

Valenselektroner er elektronene i det ytreste skallet av atomer. De deltar i kjemiske bindinger og kan påvirkes av elektriske eller magnetiske felt. Antallet valenselektroner varierer fra 1 til 8, avhengig av elementet.

Valenselektroner er viktige for å bestemme et elements fysiske, kjemiske og elektriske egenskaper. Elementer med liknende valenselektroner har vanligvis liknende reaktivitet og bindetyper. Forskjellige antall valenselektroner resulterer i ulik elektrisk ledningsevne og materialtyper.

Elektrisk ledningsevne

Elektrisk ledningsevne måler hvor godt et materiale lar elektrisk strøm flyte gjennom det. Elektrisk strøm består av bevegende elektriske ladninger, vanligvis bært av frie elektroner eller ioner. Materialer med høy ledningsevne lett leder strøm, mens materialer med lav ledningsevne motarbeider det.

Elektrisk ledningsevne av et materiale avhenger av flere faktorer, som dets temperatur, struktur, sammensetning og renhet. Imidlertid er et av de viktigste faktorene antallet og oppførselen til frie elektroner i materialet.

Frie elektroner er valenselektroner som ikke er sterkt bundet til sine foreldreatomer og kan bevege seg fritt innenfor materialet. Disse er elektronene som kan reagere på et anvendt elektrisk felt eller potensialforskjell og drifte i én retning, og skape en elektrisk strøm.

Antallet og oppførselen til frie elektroner i et materiale er bestemt av antallet valenselektroner i dets konstituerende atomer. Generelt har materialer med få valenselektroner mer frie elektroner, mens materialer med flere valenselektroner har færre frie elektroner.

Basert på deres elektriske ledningsevne og antallet valenselektroner, kan materialer klassifiseres i tre hovedgrupper: ledere, halvledere og isolatorer.

Ledere

Ledere er materialer som har høy elektrisk ledningsevne fordi de har mange frie elektroner som lett kan lede en elektrisk strøm. Ledere har vanligvis ett, to eller tre valenselektroner i sine atomer. Disse valenselektronene har høye energinivåer og er løst knyttet til sine foreldreatomer. De kan lett løsne fra sine atomer eller bevege seg innenfor materialet når et elektrisk felt eller potensialforskjell blir anvendt.

De fleste metaller er gode ledere av elektrisitet fordi de har få valenselektroner i sine atomer. For eksempel har kobber ett valenselektron, magnesium har to valenselektroner, og aluminium har tre valenselektroner. Disse metallene har mange frie elektroner i sin kristallstruktur som kan bevege seg fritt når et elektrisk felt blir anvendt.

Noen ikke-metaller kan også fungere som ledere under visse forhold. For eksempel har grafitt (en form for karbon) fire valenselektroner i sine atomer, men bare tre av dem brukes for binding med andre karbonatomer i et heksagonal rutenett. Det fjerde valenselektronet er fritt til å bevege seg langs rutenettet når et elektrisk felt blir anvendt.

Halvledere

Halvledere er materialer som har moderat elektrisk ledningsevne fordi de har få frie elektroner som kan lede en elektrisk strøm under visse forhold. Halvledere er materialer som har fire valenselektroner i sine atomer, som karbon, silisium og germanium. Disse valenselektronene brukes for binding med andre atomer i et regulært rutenett. Imidlertid, ved romtemperatur, kan noen av disse valenselektronene få nok energi til å bryte fri fra sine bindinger og bli frie elektroner. Disse frie elektronene kan da lede en elektrisk strøm når et elektrisk felt blir anvendt.

Imidlertid er antallet frie elektroner i et rent halvledermaterial lavt, og elektriske ledningsevnen er dårlig. Derfor dopes halvledere ofte med urenheter som har enten flere eller færre valenselektroner enn vertskjernen. Dette skaper en overflod eller mangel på frie elektroner i halvlederen, som øker dens elektriske ledningsevne.

Det finnes to typer doping: n-type og p-type. Ved n-type doping legges urenheter med fem valenselektroner, som fosfor eller arseen, til halvlederen. Disse atomene gir et ekstra valenselektron til halvlederen, som skaper en negativ ladningsbærer kalt et elektron. Ved p-type doping legges urenheter med tre valenselektroner, som bor eller gallium, til halvlederen. Disse atomene aksepterer et valenselektron fra halvlederen, som skaper en positiv ladningsbærer kalt et hull.

Halvledere brukes vidt i ulike elektroniske enheter, som transistorer, dioder, solcellepaneler, lysdioder (LED), lasere og integrerte kretser. Disse enhetene utnytter de unike egenskapene til halvledere, som deres evne til å skifte mellom ledende og isolerende tilstander, deres følsomhet for lys og temperatur, og deres kompatibilitet med andre materialer.

Isolatorer

Isolatorer er materialer som har lav elektrisk ledningsevne fordi de har få eller ingen frie elektroner som kan lede en elektrisk strøm. Isolatorer har vanligvis fem eller flere valenselektroner i sine atomer. Disse valenselektronene er sterkt bundet til sine foreldreatomer og krever mye energi for å løsne eller oppløses. Derfor reagerer ikke isolatorer på et anvendt elektrisk felt eller potensialforskjell, og motarbeider eller blokkerer strømflyten.

De fleste ikke-metaller er gode isolatorer av elektrisitet fordi de har mange valenselektroner i sine atomer. For eksempel har kvilt fem valenselektroner, svovel har seks valenselektroner, og neon har åtte valenselektroner. Disse elementene har ingen frie elektroner i sin struktur og tillater ikke elektrisk strøm å flyte gjennom dem.

Noen materialer kan også fungere som isolatorer under visse forhold. For eksempel er glass og gummistoff gode isolatorer ved romtemperatur, men kan bli ledere ved høye temperaturer når noen av deres valenselektroner får nok energi til å bli frie elektroner.

Isolatorer brukes hovedsakelig for å hindre elektrisk strøm fra å flyte der den ikke ønskes eller trengs. For eksempel brukes isolatorer til å belegge ledninger og kabler for å beskytte dem mot kortslutninger og elektriske sjokk. Isolatorer brukes også for å separere forskjellige deler av en elektronisk enhet eller krets for å hindre uønsket interaksjon eller støy.

Konklusjon

Valenselektroner er elektronene i det ytreste skallet av et atom som kan delta i kjemiske bindinger og elektrisk strøm. Antallet og oppstillingen av valenselektroner bestemmer mange fysiske, kjemiske og elektriske egenskaper hos et element.

Elektrisk ledningsevne er en måling av hvor godt et materiale lar en elektrisk strøm flyte gjennom det. Elektrisk ledningsevne avhenger av flere faktorer, som antallet og oppførselen til frie elektroner i materialet.

Basert på deres elektriske ledningsevne og antallet valenselektroner, kan materialer klassifiseres i tre hovedgrupper: ledere, halvledere og isolatorer.

Ledere har høy elektrisk ledningsevne fordi de har mange frie elektroner som lett kan lede en elektrisk strøm. Ledere har vanligvis ett, to eller tre valenselektroner i sine atomer.

Halvledere har moderat elektrisk ledningsevne fordi de har få frie elektroner som kan lede en elektrisk strøm under visse forhold. Halvledere har vanligvis fire valenselektroner i sine atomer.

Isolatorer har lav elektrisk ledningsevne fordi de har få eller ingen frie elektroner som kan lede en elektrisk strøm. Isolatorer har vanligvis fem eller flere valenselektroner i sine atomer.

Disse materialene har ulike anvendelsesområder i forskjellige elektroniske enheter, som transistorer, dioder, solcellepaneler, LED, lasere og integrerte kretser. Disse enhetene utnytter de unike egenskapene til disse materialene, som deres evne til å skifte mellom ledende og isolerende tilstander, deres følsomhet for lys og temperatur, og deres kompatibilitet med andre materialer.