Kaj so valentni elektroni in električna prevodnost?

Kaj so valentni elektroni in električna vodljivost?

Definicija valentnih elektronov

Atom je sestavljen iz jedra, ki vsebuje protona in neutronov, z elektroni v ovojnici okoli njega. Jedro je pozitivno nabit, elektroni pa negativno. Atomi so električno neutralni, ker imajo enako število protonov in elektronov.

Elektroni v atomu so razporejeni v ovojnici glede na svoje energetske ravni. Ovojnica najbližja jedru ima najnižjo energijo, najbolj oddaljena ovojnica pa najvišjo energijo. Vsaka ovojnica ima maksimalno kapaciteto za elektrone: prva ovojnica lahko vsebuje do 2, druga do 8 itd.

Valentni elektroni so elektroni v najbolj oddaljeni ovojnici atomov. Sodelujejo v kemijskem vezanju in se lahko vplivajo na električna polja ali magnetna polja. Število valentnih elektronov se spreminja od 1 do 8, odvisno od elementa.

Valentni elektroni so ključni za določanje fizičnih, kemijskih in električnih lastnosti elementa. Elementi z podobnimi valentnimi elektroni običajno imajo podobno reaktivnost in vrste vezanja. Različno število valentnih elektronov povzroča različne električne vodljivosti in vrste materialov.

Električna vodljivost

Električna vodljivost meri, kako dobro material dopušča pretok električnega toka skozi sebe. Električni tok sestavlja gibanje električnih nabojov, običajno nosilcev, ki jih nosijo prosti elektroni ali jonovi. Materiali z visoko vodljivostjo lahko lažje prenašajo tok, medtem ko materiali z nizko vodljivostjo mu nasprotujeta.

Električna vodljivost materiala odvisna je od več dejavnikov, kot so temperatura, struktura, sestava in čistota. Vendar je eden najpomembnejših dejavnikov število in obnašanje prostih elektronov v materialu.

Prosti elektroni so valentni elektroni, ki niso tesno vezani na svoje starševske atome in se lahko svobodno gibljejo znotraj materiala. To so elektroni, ki lahko odgovarjajo na uporabljeni električni polji ali potencialne razlike in drifirajo v eno smer, ustvarjajo električni tok.

Število in obnašanje prostih elektronov v materialu je določeno s številom valentnih elektronov v njegovih sestavnih atomih. Splošno velja, da materiali z manjšim številom valentnih elektronov imajo več prostih elektronov, medtem ko materiali z večjim številom valentnih elektronov imajo manj prostih elektronov.

Glede na njihovo električno vodljivost in število valentnih elektronov se materiali lahko razdelijo na tri glavne skupine: vodiči, polprevodniki in izolatorji.

Vodiči

Vodiči so materiali, ki imajo visoko električno vodljivost, ker imajo veliko prostih elektronov, ki lahko lažje nosijo električni tok. Vodiči običajno imajo enega, dva ali trije valentne elektrone v svojih atomih. Ti valentni elektroni imajo visoke energetske ravni in so slabo povezani s svojimi starševskimi atomi. Lahko se zlahka odpovežejo od svojih atomov ali se gibljejo znotraj materiala, ko je uporabljen električni polj ali potencialna razlika.

Večina kovin je dobri vodiči električnega toka, ker imajo malo valentnih elektronov v svojih atomih. Na primer, bakar ima en valenten elektron, magnezij dva valentna elektrona, in aluminij trije valentni elektroni. Te kovine imajo veliko prostih elektronov v svoji kristalni strukturi, ki se lahko svobodno gibljejo, ko je uporabljen električni polj.

Nekateri nemetali lahko tudi delujejo kot vodiči v določenih pogojih. Na primer, grafit (obačna oblika ogljika) ima štiri valentne elektrone v svojih atomih, vendar jih le tri uporabljajo za vezanje z drugimi atomskega ogljika v šestokotni mreži. Četrti valentni elektron je prosto premikajoči se po mreži, ko je uporabljen električni polj.

Polprevodniki

Polprevodniki so materiali, ki imajo umeten električno vodljivost, ker imajo malo prostih elektronov, ki lahko nosijo električni tok pod določenimi pogoji. Polprevodniki so materiali, ki imajo štiri valentne elektrone v svojih atomih, kot so ogljik, silicij in germanij. Ti valentni elektroni so uporabljeni za vezanje z drugimi atomi v redki mrežni strukturi. Vendar pri sobni temperaturi nekateri ti valentni elektroni lahko pridobijo dovolj energije, da se osvobodijo iz svojih vezanj in postanejo prosti elektroni. Ti prosti elektroni lahko nato nosijo električni tok, ko je uporabljen električni polj.

Vendar je število prostih elektronov v čistem polprevodniku zelo nizko, in električna vodljivost je zelo slaba. Zato so polprevodniki pogosto dopirani s impurnimi atomi, ki imajo ali več ali manj valentnih elektronov kot gostiteljski atomi. To ustvari presežek ali pomanjkljivost prostih elektronov v polprevodniku, kar poveča njegovo električno vodljivost.

Obstajata dve vrsti dopiranja: n-tip in p-tip. Pri n-tipu dopiranja so dodani impurni atomi z petimi valentnimi elektroni, kot so fosfor ali arzen. Ti atomi prispevajo en dodatni valentni elektron polprevodniku, ustvarjajo negativno nabito nosilce, imenovano elektron. Pri p-tipu dopiranja so dodani impurni atomi z tremi valentnimi elektroni, kot so bor ali galij. Ti atomi sprejmejo en valentni elektron od polprevodnika, ustvarjajo pozitivno nabito nosilce, imenovano luknja.

Polprevodniki so široko uporabljeni v različnih elektronskih napravah, kot so tranzistorji, diodi, sončne celice, svetlobno oddajajoči diodi (LED), lazere in integrirani vezji. Te naprave izkoriščajo edinstvene lastnosti polprevodnikov, kot so njihova sposobnost preklopiti med stanji vodiča in izolatorja, občutljivost na svetlobo in temperaturo, ter združljivost z drugimi materiali.

Izolatorji

Izolatorji so materiali, ki imajo nizko električno vodljivost, ker imajo zelo malo ali nobenih prostih elektronov, ki lahko nosijo električni tok. Izolatorji običajno imajo pet ali več valentnih elektronov v svojih atomih. Ti valentni elektroni so močno vezani na svoje starševske atome in za njihovo odpoved ali vzbuđenje potrebujete veliko energije. Zato izolatorji ne odgovarjajo na uporabljeni električni polj ali potencialne razlike in nasprotujejo ali blokirajo pretok električnega toka.

Večina nemetalov je dobri izolatorji električnega toka, ker imajo veliko valentnih elektronov v svojih atomih. Na primer, dušik ima pet valentnih elektronov, sumpor šest valentnih elektronov, in neon osem valentnih elektronov. Ti elementi nimajo nobenih prostih elektronov v svoji strukturi in ne dovoljujejo, da električni tok teče skozi njih.

Nekateri materiali lahko tudi delujejo kot izolatorji pod določenimi pogoji. Na primer, steklo in guma so dobri izolatorji pri sobni temperaturi, vendar lahko postanejo vodiči pri visokih temperaturah, ko nekateri njihovi valentni elektroni pridobijo dovolj energije, da postanejo prosti elektroni.

Izolatorji so predvsem uporabljeni za preprečevanje pretoka električnega toka tam, kjer ni želenega ali potrebnega. Na primer, izolatorji so uporabljeni za pokritje vodov in kabelov, da bi jih zaščitili pred kratkimi zapori in električnimi šokami. Izolatorji so tudi uporabljeni za ločevanje različnih delov elektronske naprave ali vezja, da bi preprečili neželene interakcije ali motnje.

Zaključek

Valentni elektroni so elektroni v najbolj oddaljeni ovojnici atoma, ki lahko sodelujejo v kemijskem vezanju in električnem toku. Število in razporeditev valentnih elektronov določa mnoge fizične, kemijske in električne lastnosti elementa.

Električna vodljivost je mera, kako dobro material dopušča pretok električnega toka skozi sebe. Električna vodljivost je odvisna od več dejavnikov, kot so število in obnašanje prostih elektronov v materialu.

Glede na njihovo električno vodljivost in število valentnih elektronov se materiali lahko razdelijo na tri glavne skupine: vodiči, polprevodniki in izolatorji.

Vodiči imajo visoko električno vodljivost, ker imajo veliko prostih elektronov, ki lahko lažje nosijo električni tok. Vodiči običajno imajo enega, dva ali trije valentne elektrone v svojih atomih.

Polprevodniki imajo umeten električno vodljivost, ker imajo malo prostih elektronov, ki lahko nosijo električni tok pod določenimi pogoji. Polprevodniki običajno imajo štiri valentne elektrone v svojih atomih.

Izolatorji imajo nizko električno vodljivost, ker imajo zelo malo ali nobenih prostih elektronov, ki lahko nosijo električni tok. Izolatorji običajno imajo pet ali več valentnih elektronov v svojih atomih.

Ti materiali imajo različne uporabe v različnih elektronskih napravah, kot so tranzistorji, diodi, sončne celice, LED, lazere in integrirani vezji. Te naprave izkoriščajo edinstvene lastnosti teh materialov, kot so njihova sposobnost preklopiti med stanji vodiča in izolatorja, občutljivost na svetlobo in temperaturo, ter združljivost z drugimi materiali.