Что такое валентные электроны и электропроводность?

Что такое валентные электроны и электропроводность?

Определение валентных электронов

Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, с электронами, находящимися на оболочках вокруг него. Ядро заряжено положительно, а электроны - отрицательно. Атомы электрически нейтральны, так как у них равное количество протонов и электронов.

Электроны в атоме расположены на оболочках в зависимости от их энергетических уровней. Оболочка, ближайшая к ядру, имеет наименьшую энергию, тогда как наиболее удаленная оболочка имеет наибольшую энергию. Каждая оболочка имеет максимальную вместимость для электронов: первая оболочка может содержать до 2, вторая - до 8 и так далее.

Валентные электроны - это электроны, находящиеся на внешней оболочке атомов. Они участвуют в химических связях и могут быть воздействованы электрическими или магнитными полями. Число валентных электронов варьируется от 1 до 8, в зависимости от элемента.

Валентные электроны играют ключевую роль в определении физических, химических и электрических свойств элемента. Элементы с похожим числом валентных электронов обычно имеют схожую реактивность и типы связей. Разное число валентных электронов приводит к различной электропроводности и типам материалов.

Электропроводность

Электропроводность измеряет, насколько хорошо материал позволяет электрическому току проходить через него. Электрический ток состоит из движущихся электрических зарядов, обычно переносимых свободными электронами или ионами. Материалы с высокой проводимостью легко проводят ток, в то время как материалы с низкой проводимостью ему сопротивляются.

Электропроводность материала зависит от нескольких факторов, таких как температура, структура, состав и чистота. Однако одним из самых важных факторов является число и поведение свободных электронов в материале.

Свободные электроны - это валентные электроны, которые не связаны тесно со своими родительскими атомами и могут свободно перемещаться внутри материала. Эти электроны могут реагировать на приложенное электрическое поле или разность потенциалов, дрейфуя в одном направлении, создавая электрический ток.

Число и поведение свободных электронов в материале определяются числом валентных электронов в его составляющих атомах. В общем, материалы с меньшим числом валентных электронов, как правило, имеют больше свободных электронов, в то время как материалы с большим числом валентных электронов, как правило, имеют меньше свободных электронов.

На основе их электропроводности и числа валентных электронов материалы можно классифицировать на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники

Проводники - это материалы, имеющие высокую электропроводность, потому что у них много свободных электронов, которые могут легко проводить электрический ток. Проводники обычно имеют один, два или три валентных электрона в своих атомах. Эти валентные электроны имеют высокие энергетические уровни и слабо связаны со своими родительскими атомами. Они могут легко отсоединяться от своих атомов или перемещаться внутри материала, когда прикладывается электрическое поле или разность потенциалов.

Большинство металлов являются хорошими проводниками электричества, потому что у них мало валентных электронов в атомах. Например, медь имеет один валентный электрон, магний - два валентных электрона, а алюминий - три валентных электрона. Эти металлы имеют много свободных электронов в своей кристаллической структуре, которые могут свободно двигаться, когда прикладывается электрическое поле.

Некоторые неметаллы также могут действовать как проводники при определенных условиях. Например, графит (форма углерода) имеет четыре валентных электрона в своих атомах, но только три из них используются для связи с другими атомами углерода в гексагональной решетке. Четвертый валентный электрон свободен для движения вдоль решетки, когда прикладывается электрическое поле.

Полупроводники

Полупроводники - это материалы, имеющие среднюю электропроводность, потому что у них немного свободных электронов, которые могут проводить электрический ток при определенных условиях. Полупроводники - это материалы, имеющие четыре валентных электрона в своих атомах, такие как углерод, кремний и германий. Эти валентные электроны используются для связи с другими атомами в регулярной решеточной структуре. Однако при комнатной температуре некоторые из этих валентных электронов могут получить достаточно энергии, чтобы освободиться от своих связей и стать свободными электронами. Эти свободные электроны затем могут проводить электрический ток, когда прикладывается электрическое поле.

Однако число свободных электронов в чистом полупроводнике очень мало, и электропроводность очень низкая. Поэтому полупроводники часто легируют примесными атомами, которые имеют либо больше, либо меньше валентных электронов, чем атомы-хозяева. Это создает избыток или недостаток свободных электронов в полупроводнике, что увеличивает его электропроводность.

Существует два типа легирования: n-тип и p-тип. При легировании n-типа добавляются примесные атомы с пятью валентными электронами, такие как фосфор или мышьяк. Эти атомы дарят один дополнительный валентный электрон полупроводнику, создавая отрицательный носитель заряда, называемый электроном. При легировании p-типа добавляются примесные атомы с тремя валентными электронами, такие как бор или галлий. Эти атомы принимают один валентный электрон от полупроводника, создавая положительный носитель заряда, называемый дыркой.

Полупроводники широко используются в различных электронных устройствах, таких как транзисторы, диоды, солнечные батареи, светодиоды (LED), лазеры и интегральные схемы. Эти устройства используют уникальные свойства полупроводников, такие как их способность переключаться между проводящим и изолирующим состояниями, чувствительность к свету и температуре, а также совместимость с другими материалами.

Диэлектрики

Диэлектрики - это материалы, имеющие низкую электропроводность, потому что у них очень мало или вообще нет свободных электронов, которые могут проводить электрический ток. Диэлектрики обычно имеют пять или более валентных электронов в своих атомах. Эти валентные электроны сильно связаны со своими родительскими атомами и требуют много энергии, чтобы быть отсоединенными или возбужденными. Поэтому диэлектрики не реагируют на приложенное электрическое поле или разность потенциалов и сопротивляются или блокируют течение электрического тока.

Большинство неметаллов являются хорошими диэлектриками, потому что у них много валентных электронов в атомах. Например, азот имеет пять валентных электронов, сера - шесть валентных электронов, а неон - восемь валентных электронов. Эти элементы не имеют свободных электронов в своей структуре и не позволяют электрическому току проходить через них.

Некоторые материалы также могут действовать как диэлектрики при определенных условиях. Например, стекло и резина являются хорошими диэлектриками при комнатной температуре, но могут становиться проводниками при высоких температурах, когда некоторые из их валентных электронов получают достаточно энергии, чтобы стать свободными электронами.

Диэлектрики в основном используются для предотвращения течения электрического тока там, где он не нужен. Например, диэлектрики используются для покрытия проводов и кабелей, чтобы защитить их от короткого замыкания и электрических ударов. Диэлектрики также используются для разделения различных частей электронного устройства или цепи, чтобы предотвратить нежелательные взаимодействия или помехи.

Заключение

Валентные электроны - это электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, которые могут участвовать в химических связях и электрическом токе. Число и расположение валентных электронов определяют многие физические, химические и электрические свойства элемента.

Электропроводность - это мера того, насколько хорошо материал позволяет электрическому току проходить через него. Электропроводность зависит от нескольких факторов, таких как число и поведение свободных электронов в материале.

На основе их электропроводности и числа валентных электронов материалы можно классифицировать на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники имеют высокую электропроводность, потому что у них много свободных электронов, которые могут легко проводить электрический ток. Проводники обычно имеют один, два или три валентных электрона в своих атомах.

Полупроводники имеют среднюю электропроводность, потому что у них немного свободных электронов, которые могут проводить электрический ток при определенных условиях. Полупроводники обычно имеют четыре валентных электрона в своих атомах.

Диэлектрики имеют низкую электропроводность, потому что у них очень мало или вообще нет свободных электронов, которые могут проводить электрический ток. Диэлектрики обычно имеют пять или более валентных электронов в своих атомах.

Эти материалы имеют различные применения в различных электронных устройствах, таких как транзисторы, диоды, солнечные батареи, LED, лазеры и интегральные схемы. Эти устройства используют уникальные свойства этих материалов, такие как их способность переключаться между проводящим и изолирующим состояниями, чувствительность к свету и температуре, а также совместимость с другими материалами.