Co to są elektrony walencyjne i przewodnictwo elektryczne

Co to są elektrony walencyjne i przewodnictwo elektryczne?

Definicja elektronów walencyjnych

Atom składa się z jądra zawierającego protony i neutrony, z elektronami w powłokach wokół niego. Jądro jest naładowane dodatnio, a elektrony ujemnie. Atomy są elektrycznie neutralne, ponieważ mają równe liczby protonów i elektronów.

Elektrony w atomie są rozmieszczone w powłokach w zależności od ich poziomów energetycznych. Najbliższa powłoka do jądra ma najniższą energię, podczas gdy najdalsza powłoka ma najwyższą energię. Każda powłoka ma maksymalną pojemność dla elektronów: pierwsza powłoka może pomieścić do 2, druga do 8, i tak dalej.

Elektrony walencyjne to elektrony w najbardziej zewnętrznej powłoce atomów. Biorą udział w wiązaniach chemicznych i mogą być wpływane przez pola elektryczne lub magnetyczne. Liczba elektronów walencyjnych waha się od 1 do 8, w zależności od pierwiastka.

Elektrony walencyjne są kluczowe w określeniu fizycznych, chemicznych i elektrycznych właściwości pierwiastka. Pierwiastki o podobnej liczbie elektronów walencyjnych zazwyczaj mają podobne reaktywność i typy wiązań. Różna liczba elektronów walencyjnych powoduje różne przewodnictwa elektryczne i rodzaje materiałów.

Przewodnictwo elektryczne

Przewodnictwo elektryczne mierzy, jak dobrze materiał przepuszcza prąd elektryczny. Prąd elektryczny składa się z poruszających się ładunków elektrycznych, zwykle niesionych przez wolne elektrony lub jony. Materiały o wysokim przewodnictwie łatwo przepuszczają prąd, podczas gdy materiały o niskim przewodnictwie go opierają.

Przewodnictwo elektryczne materiału zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, struktura, skład i czystość. Jednak jednym z najważniejszych czynników jest liczba i zachowanie wolnych elektronów w materiale.

Wolne elektrony to elektrony walencyjne, które nie są mocno związane z ich macierzystymi atomami i mogą swobodnie poruszać się w materiale. To są elektrony, które mogą reagować na zastosowane pole elektryczne lub różnicę potencjałów i dryfować w jednym kierunku, tworząc prąd elektryczny.

Liczba i zachowanie wolnych elektronów w materiale są określone przez liczbę elektronów walencyjnych w jego składnikowych atomach. Ogólnie rzecz biorąc, materiały o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych zazwyczaj mają więcej wolnych elektronów, podczas gdy materiały o większej liczbie elektronów walencyjnych zazwyczaj mają mniej wolnych elektronów.

Na podstawie ich przewodnictwa elektrycznego i liczby elektronów walencyjnych, materiały można podzielić na trzy główne grupy: przewodniki, półprzewodniki i izolatory.

Przewodniki

Przewodniki to materiały o wysokim przewodnictwie elektrycznym, ponieważ mają wiele wolnych elektronów, które mogą łatwo przeprowadzać prąd elektryczny. Przewodniki zazwyczaj mają jeden, dwa lub trzy elektrony walencyjne w swoich atomach. Te elektrony walencyjne mają wysokie poziomy energetyczne i są luźno przywiązane do swoich macierzystych atomów. Mogą łatwo oderwać się od swoich atomów lub poruszać się w materiale, gdy zastosowano pole elektryczne lub różnicę potencjałów.

Większość metali jest dobrymi przewodnikami elektryczności, ponieważ mają niewielką liczbę elektronów walencyjnych w swoich atomach. Na przykład miedź ma jeden elektron walencyjny, magnez ma dwa elektrony walencyjne, a aluminium ma trzy elektrony walencyjne. Te metale mają wiele wolnych elektronów w swojej strukturze krystalicznej, które mogą swobodnie poruszać się, gdy zastosowano pole elektryczne.

Niektóre niemetale mogą również działać jako przewodniki w określonych warunkach. Na przykład grafit (forma węgla) ma cztery elektrony walencyjne w swoich atomach, ale tylko trzy z nich są używane do wiązania z innymi atomami węgla w sieci heksagonalnej. Czwarty elektron walencyjny jest wolny, aby poruszać się wzdłuż sieci, gdy zastosowano pole elektryczne.

Półprzewodniki

Półprzewodniki to materiały o umiarkowanym przewodnictwie elektrycznym, ponieważ mają niewielką liczbę wolnych elektronów, które mogą przeprowadzać prąd elektryczny w określonych warunkach. Półprzewodniki to materiały, które mają cztery elektrony walencyjne w swoich atomach, takie jak węgiel, krzem i german. Te elektrony walencyjne są używane do wiązania z innymi atomami w regularnej strukturze sieciowej. Jednak w temperaturze pokojowej niektóre z tych elektronów walencyjnych mogą zdobyć wystarczającą ilość energii, aby uwolnić się ze swoich wiązań i stać się wolnymi elektronami. Te wolne elektrony mogą następnie przeprowadzać prąd elektryczny, gdy zastosowano pole elektryczne.

Jednak liczba wolnych elektronów w czystym półprzewodniku jest bardzo niska, a przewodnictwo elektryczne jest bardzo słabe. Dlatego półprzewodniki często domieszkowane są atomami domieszek, które mają więcej lub mniej elektronów walencyjnych niż atomy gospodarza. To tworzy nadmiar lub niedobór wolnych elektronów w półprzewodniku, co zwiększa jego przewodnictwo elektryczne.

Istnieją dwa rodzaje domieszkowania: typ n i typ p. W domieszkowaniu typu n dodawane są atomy domieszek z pięcioma elektronami walencyjnymi, takimi jak fosfor lub arsen, do półprzewodnika. Te atomy oddają jeden dodatkowy elektron walencyjny do półprzewodnika, tworząc ujemny nośnik ładunku zwany elektronem. W domieszkowaniu typu p dodawane są atomy domieszek z trzema elektronami walencyjnymi, takimi jak bor lub gal, do półprzewodnika. Te atomy akceptują jeden elektron walencyjny od półprzewodnika, tworząc dodatni nośnik ładunku zwany dziurą.

Półprzewodniki są szeroko stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, komórki słoneczne, diody elektroluminescencyjne (LED), lasery i układy scalone. Te urządzenia wykorzystują unikalne właściwości półprzewodników, takie jak zdolność do przełączania między stanami przewodzącymi i izolującymi, wrażliwość na światło i temperaturę oraz zgodność z innymi materiałami.

Izolatory

Izolatory to materiały o niskim przewodnictwie elektrycznym, ponieważ mają bardzo małą liczbę lub żadnych wolnych elektronów, które mogłyby przeprowadzać prąd elektryczny. Izolatory zazwyczaj mają pięć lub więcej elektronów walencyjnych w swoich atomach. Te elektrony walencyjne są silnie związane z ich macierzystymi atomami i wymagają dużej ilości energii, aby je oderwać lub podnieść. Dlatego izolatory nie reagują na zastosowane pole elektryczne lub różnicę potencjałów i opierają lub blokują przepływ prądu elektrycznego.

Większość niemetali jest dobrymi izolatorami elektrycznymi, ponieważ mają wiele elektronów walencyjnych w swoich atomach. Na przykład azot ma pięć elektronów walencyjnych, siarka ma sześć elektronów walencyjnych, a neon ma osiem elektronów walencyjnych. Te pierwiastki nie mają wolnych elektronów w swojej strukturze i nie pozwalają na przepływ prądu elektrycznego przez siebie.

Niektóre materiały mogą również działać jako izolatory w określonych warunkach. Na przykład szkło i kauczuk są dobrymi izolatorami w temperaturze pokojowej, ale mogą stać się przewodnikami przy wysokich temperaturach, gdy niektóre z ich elektronów walencyjnych zdobywają wystarczającą ilość energii, aby stać się wolnymi elektronami.

Izolatory są głównie używane do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego tam, gdzie nie jest on potrzebny. Na przykład izolatory są używane do pokrywania drutów i kabli, aby chronić je przed zwarciem i porażeniami elektrycznymi. Izolatory są również używane do rozdzielenia różnych części urządzenia elektronicznego lub obwodu, aby zapobiec niepożądanym interakcjom lub interferencji.

Podsumowanie

Elektrony walencyjne to elektrony w najbardziej zewnętrznej powłoce atomu, które mogą uczestniczyć w wiązaniach chemicznych i prądzie elektrycznym. Liczba i ułożenie elektronów walencyjnych określa wiele fizycznych, chemicznych i elektrycznych właściwości pierwiastka.

Przewodnictwo elektryczne to miara tego, jak dobrze materiał może przepuszczać prąd elektryczny. Przewodnictwo elektryczne zależy od wielu czynników, takich jak liczba i zachowanie wolnych elektronów w materiale.

Na podstawie ich przewodnictwa elektrycznego i liczby elektronów walencyjnych, materiały można podzielić na trzy główne grupy: przewodniki, półprzewodniki i izolatory.

Przewodniki mają wysokie przewodnictwo elektryczne, ponieważ mają wiele wolnych elektronów, które mogą łatwo przeprowadzać prąd elektryczny. Przewodniki zazwyczaj mają jeden, dwa lub trzy elektrony walencyjne w swoich atomach.

Półprzewodniki mają umiarkowane przewodnictwo elektryczne, ponieważ mają niewielką liczbę wolnych elektronów, które mogą przeprowadzać prąd elektryczny w określonych warunkach. Półprzewodniki zazwyczaj mają cztery elektrony walencyjne w swoich atomach.

Izolatory mają niskie przewodnictwo elektryczne, ponieważ mają bardzo małą liczbę lub żadnych wolnych elektronów, które mogłyby przeprowadzać prąd elektryczny. Izolatory zazwyczaj mają pięć lub więcej elektronów walencyjnych w swoich atomach.

Te materiały mają różne zastosowania w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, komórki słoneczne, LED, lasery i układy scalone. Te urządzenia wykorzystują unikalne właściwości tych materiałów, takie jak zdolność do przełączania między stanami przewodzącymi i izolującymi, wrażliwość na światło i temperaturę oraz zgodność z innymi materiałami.