Šta su valentni elektroni i električna vodljivost

Šta su valentni elektroni i električna provodljivost?

Definicija valentnih elektrona

Atom je sastavljen od jezgra koje sadrži protona i neutrona, sa elektronima u ljusci oko njega. Jezgro je pozitivno nabijeno, a elektroni su negativno nabijeni. Atomi su električno neutralni jer imaju jednako broj protona i elektrona.

Elektroni u atomu su raspoređeni u ljuske prema nivoima energije. Ljuska najbliža jezgru ima najmanju energiju, dok najudaljenija ljuska ima najveću energiju. Svaka ljuska ima maksimalnu kapacitet za elektrone: prva ljuska može da sadrži do 2, druga do 8, i tako dalje.

Valentni elektroni su elektroni u najudaljenijoj ljusci atoma. Učestvuju u hemijskom vezanju i mogu biti pod uticajem električnih ili magnetskih polja. Broj valentnih elektrona varira od 1 do 8, zavisno od elementa.

Valentni elektroni su ključni za određivanje fizičkih, hemijskih i električnih svojstava elementa. Elementi sa sličnim valentnim elektronima obično imaju sličnu reaktivnost i tipove veza. Različiti brojevi valentnih elektrona rezultiraju različitim stepenima električne provodljivosti i tipovima materijala.

Električna provodljivost

Električna provodljivost meri koliko dobro materijal dopušta da električni tok teče kroz njega. Električni tok se sastoji od pokretnih električnih nabojeva, obično nosena slobodnim elektronima ili jonima. Materijali sa visokom provodljivošću lako vode tok, dok materijali sa niskom provodljivošću otpiraju tok.

Električna provodljivost materijala zavisi od nekoliko faktora, kao što su temperatura, struktura, sastav i čistoća. Međutim, jedan od najvažnijih faktora jeste broj i ponašanje slobodnih elektrona u materijalu.

Slobodni elektroni su valentni elektroni koji nisu čvrsto vezani za svoje roditeljske atome i mogu se slobodno kretati unutar materijala. To su elektroni koji mogu da reaguju na primenjeno električno polje ili potencijalnu razliku i da se kreću u jednom smeru, stvarajući električni tok.

Broj i ponašanje slobodnih elektrona u materijalu određuju se brojem valentnih elektrona u njegovim sastavnim atomima. Obično materijali sa manjim brojem valentnih elektrona imaju više slobodnih elektrona, dok materijali sa većim brojem valentnih elektrona imaju manje slobodnih elektrona.

Na osnovu njihove električne provodljivosti i broja valentnih elektrona, materijali se mogu klasifikovati u tri glavne grupe: vodiči, poluvodiči i izolatori.

Vodiči

Vodiči su materijali koji imaju visoku električnu provodljivost jer imaju mnogo slobodnih elektrona koji lako nose električni tok. Vodiči obično imaju jedan, dva ili tri valentna elektrona u svojim atomima. Ovi valentni elektroni imaju visoke nivoje energije i su slabo vezani za svoje roditeljske atome. Mogu se lako odvojiti od svojih atoma ili se kretati unutar materijala kada se primeni električno polje ili potencijalna razlika.

Većina metala su dobri vodiči električnosti jer imaju malo valentnih elektrona u svojim atomima. Na primer, bakar ima jedan valentni elektron, magnezijum ima dva valentna elektrona, a aluminijum ima tri valentna elektrona. Ovi metali imaju mnogo slobodnih elektrona u svojoj kristalnoj strukturi koji se slobodno kreu kada se primeni električno polje.

Neki nemetali takođe mogu da deluju kao vodiči pod određenim uslovima. Na primer, grafit (oblik ugljenika) ima četiri valentna elektrona u svojim atomima, ali samo tri od njih se koriste za vezanje sa drugim atomskim ugljenikom u šesterokutnoj mreži. Četvrti valentni elektron je slobodan da se kreće duž mreže kada se primeni električno polje.

Poluvodiči

Poluvodiči su materijali koji imaju umjerenu električnu provodljivost jer imaju malo slobodnih elektrona koji mogu nositi električni tok pod određenim uslovima. Poluvodiči su materijali koji imaju četiri valentna elektrona u svojim atomima, poput ugljenika, silicijuma i germanijuma. Ovi valentni elektroni se koriste za vezanje sa drugim atomima u redovitoj mrežnoj strukturi. Međutim, pri sobnoj temperaturi, neki od ovih valentnih elektrona mogu dobiti dovoljno energije da se oslobode od svojih veza i postanu slobodni elektroni. Ovi slobodni elektroni mogu tada nositi električni tok kada se primeni električno polje.

Međutim, broj slobodnih elektrona u čistom poluvodiču je vrlo nizak, a električna provodljivost je vrlo loša. Stoga, poluvodiči se često dopiraju impuritetskim atomima koji imaju ili više ili manje valentnih elektrona od domaćih atoma. Ovo stvara prekomjer ili nedostatak slobodnih elektrona u poluvodiču, što povećava njegovu električnu provodljivost.

Postoje dva tipa dopiranja: n-tip i p-tip. Kod n-tipa dopiranja, impuritetski atomi sa pet valentnih elektrona, poput fosfora ili arsena, dodaju se poluvodiču. Ovi atomi donire jedan dodatni valentni elektron poluvodiču, stvarajući negativni nosilac naboja, nazvan elektron. Kod p-tipa dopiranja, impuritetski atomi sa tri valentna elektrona, poput borana ili galija, dodaju se poluvodiču. Ovi atomi prihvataju jedan valentni elektron od poluvodiča, stvarajući pozitivni nosilac naboja, nazvan rupe.

Poluvodiči se široko koriste u različitim elektronskim uređajima, poput tranzistora, dijoda, solarnih celija, svjetlucih dijoda (LED), lasera i integriranih kola. Ovi uređaji iskoriste jedinstvena svojstva poluvodiča, kao što su sposobnost da se prebacuju između stanja vodljivosti i izolacije, osetljivost na svjetlost i temperaturu, te kompatibilnost sa drugim materijalima.

Izolatori

Izolatori su materijali koji imaju nisku električnu provodljivost jer imaju vrlo malo ili nema slobodnih elektrona koji mogu nositi električni tok. Izolatori obično imaju pet ili više valentnih elektrona u svojim atomima. Ovi valentni elektroni su jako vezani za svoje roditeljske atome i zahtevaju puno energije da bi se odvojili ili uzbudivi. Stoga, izolatori ne reaguju na primenjeno električno polje ili potencijalnu razliku i otpiraju ili blokiraju tok električnog toka.

Većina nemetala su dobri izolatori električnosti jer imaju mnogo valentnih elektrona u svojim atomima. Na primer, azot ima pet valentnih elektrona, sirovina ima šest valentnih elektrona, a neon ima osam valentnih elektrona. Ovi elementi nemaju slobodnih elektrona u svojoj strukturi i ne dopuštaju da električni tok teče kroz njih.

Neki materijali mogu da deluju kao izolatori pod određenim uslovima. Na primer, staklo i guma su dobri izolatori pri sobnoj temperaturi, ali mogu postati vodiči na visokim temperaturama kada neki od njihovih valentnih elektrona dobiju dovoljno energije da postanu slobodni elektroni.

Izolatori se uglavnom koriste za sprječavanje protoka električnog toka tamo gdje se ne želi ili ne treba. Na primjer, izolatori se koriste za oblaganje žica i kabela kako bi se zaštitili od kratičnih spojeva i električnih udara. Izolatori se također koriste za razdvajanje različitih dijelova elektronskog uređaja ili kola kako bi se sprječile neželjene interakcije ili interferencije.

Zaključak

Valentni elektroni su elektroni u najudaljenijoj ljusci atoma koji mogu učestvovati u hemijskom vezanju i električnom toku. Broj i raspored valentnih elektrona određuju mnoga fizička, hemijska i električna svojstva elementa.

Električna provodljivost je mera koliko dobro materijal dopušta da električni tok teče kroz njega. Električna provodljivost zavisi od nekoliko faktora, kao što je broj i ponašanje slobodnih elektrona u materijalu.

Na osnovu njihove električne provodljivosti i broja valentnih elektrona, materijali se mogu klasifikovati u tri glavne grupe: vodiči, poluvodiči i izolatori.

Vodiči imaju visoku električnu provodljivost jer imaju mnogo slobodnih elektrona koji lako nose električni tok. Vodiči obično imaju jedan, dva ili tri valentna elektrona u svojim atomima.

Poluvodiči imaju umjerenu električnu provodljivost jer imaju malo slobodnih elektrona koji mogu nositi električni tok pod određenim uslovima. Poluvodiči obično imaju četiri valentna elektrona u svojim atomima.

Izolatori imaju nisku električnu provodljivost jer imaju vrlo malo ili nema slobodnih elektrona koji mogu nositi električni tok. Izolatori obično imaju pet ili više valentnih elektrona u svojim atomima.

Ovi materijali imaju različite primene u različitim elektronskim uređajima, poput tranzistora, dijoda, solarnih celija, LED, lasera i integriranih kola. Ovi uređaji iskoriste jedinstvena svojstva ovih materijala, kao što su sposobnost da se prebacuju između stanja vodljivosti i izolacije, osetljivost na svjetlost i temperaturu, te kompatibilnost sa drugim materijalima.