Vad är yttre elektroner och elektrisk ledningsförmåga

Vad är valenselektroner och elektrisk ledningsförmåga?

Definition av valenselektroner

Ett atom består av ett kärnrum som innehåller protoner och neutroner, med elektroner i skal runt omkring. Kärnan är positivt laddad, medan elektronerna är negativt laddade. Atomer är elektriskt neutrala eftersom de har lika många protoner och elektroner.

Elektroner i en atom är ordnade i skal baserat på deras energinivåer. Det närmaste skalet till kärnan har den lägsta energin, medan det avlägsnaste skalet har den högsta energin. Varje skal har en maximal kapacitet för elektroner: det första skalet rymmer upp till 2, det andra upp till 8, och så vidare.

Valenselektroner är elektronerna i det yttersta skalet av atomer. De deltar i kemiska bindningar och kan påverkas av elektriska eller magnetiska fält. Antalet valenselektroner varierar mellan 1 och 8, beroende på elementet.

Valenselektroner är avgörande för att fastställa ett elements fysiska, kemiska och elektriska egenskaper. Element med liknande valenselektroner har vanligtvis liknande reaktivitet och bindningstyper. Olika antal valenselektroner resulterar i olika elektriska ledningsförmågor och materialtyper.

Elektrisk ledningsförmåga

Elektrisk ledningsförmåga mäter hur väl ett material tillåter elektrisk ström att flöda genom det. Elektrisk ström består av rörliga elektriska laddningar, vanligtvis bärd av fria elektroner eller jon. Material med hög ledningsförmåga leder lätt ström, medan material med låg ledningsförmåga motarbetar den.

Elektrisk ledningsförmåga hos ett material beror på flera faktorer, såsom dess temperatur, struktur, sammansättning och renhet. Men en av de viktigaste faktorerna är antalet och beteendet hos fria elektroner i materialet.

Fria elektroner är valenselektroner som inte är starkt bundna till sina moderatomer och kan röra sig fritt inuti materialet. Dessa är de elektroner som kan reagera på ett tillämpat elektriskt fält eller potentialskillnad och driva åt en riktning, vilket skapar en elektrisk ström.

Antalet och beteendet hos fria elektroner i ett material bestäms av antalet valenselektroner i dess konstituerande atomer. Generellt sett tenderar material med färre valenselektroner att ha fler fria elektroner, medan material med fler valenselektroner tenderar att ha färre fria elektroner.

Baserat på deras elektriska ledningsförmåga och antalet valenselektroner kan material indelas i tre huvudgrupper: ledare, halvledare och isolatorer.

Ledare

Ledare är material som har hög elektrisk ledningsförmåga eftersom de har många fria elektroner som lätt kan bära en elektrisk ström. Ledare har vanligtvis ett, två eller tre valenselektroner i sina atomer. Dessa valenselektroner har höga energinivåer och är löst anslutna till sina moderatomer. De kan lätt lossna från sina atomer eller röra sig inuti materialet när ett elektriskt fält eller en potentialskillnad tillämpas.

De flesta metaller är bra ledare av elektricitet eftersom de har få valenselektroner i sina atomer. Till exempel har koppar ett valenselektron, magnesium har två valenselektroner, och aluminium har tre valenselektroner. Dessa metaller har många fria elektroner i sin kristallstruktur som kan röra sig fritt när ett elektriskt fält tillämpas.

Några icke-metaller kan också fungera som ledare under vissa förhållanden. Till exempel har grafit (en form av kol) fyra valenselektroner i sina atomer, men bara tre av dem används för bindning med andra kolatomer i en hexagonalt nät. Det fjärde valenselektronet är fritt att röra sig längs nätet när ett elektriskt fält tillämpas.

Halvledare

Halvledare är material som har måttlig elektrisk ledningsförmåga eftersom de har få fria elektroner som kan bära en elektrisk ström under vissa förhållanden. Halvledare är material som har fyra valenselektroner i sina atomer, såsom kol, silikon och germanium. Dessa valenselektroner används för bindning med andra atomer i en regelbunden nätstruktur. Men vid rumstemperatur kan några av dessa valenselektroner få tillräckligt med energi för att bryta fria från sina bindningar och bli fria elektroner. Dessa fria elektroner kan sedan bära en elektrisk ström när ett elektriskt fält tillämpas.

Men antalet fria elektroner i en rent halvledare är mycket lågt, och elektriska ledningsförmågan är mycket dålig. Därför dopas halvledare ofta med orenhetsatomer som har antingen fler eller färre valenselektroner än värdatomerna. Detta skapar ett överskott eller ett underskott av fria elektroner i halvledaren, vilket ökar dess elektriska ledningsförmåga.

Det finns två typer av doping: n-typ och p-typ. Vid n-typ doping tillsätts orenhetsatomer med fem valenselektroner, såsom fosfor eller arseen, till halvledaren. Dessa atomer ger ett extra valenselektron till halvledaren, vilket skapar en negativ laddningsbärare kallad elektron. Vid p-typ doping tillsätts orenhetsatomer med tre valenselektroner, såsom bor eller gallium, till halvledaren. Dessa atomer accepterar ett valenselektron från halvledaren, vilket skapar en positiv laddningsbärare kallad hål.

Halvledare används vidare i olika elektroniska enheter, såsom transistorer, dioder, solceller, ljusavgerande dioder (LED), laser och integrerade kretsar. Dessa enheter utnyttjar de unika egenskaperna hos halvledare, såsom deras förmåga att växla mellan ledande och isolerande tillstånd, deras känslighet för ljus och temperatur, samt deras kompatibilitet med andra material.

Isolatorer

Isolatorer är material som har låg elektrisk ledningsförmåga eftersom de har mycket få eller inga fria elektroner som kan bära en elektrisk ström. Isolatorer har vanligtvis fem eller fler valenselektroner i sina atomer. Dessa valenselektroner är starkt bundna till sina moderatomer och kräver mycket energi för att lossas eller upphetsas. Därför reagerar isolatorer inte på ett tillämpat elektriskt fält eller potentialskillnad och motarbetar eller blockerar strömföret.

De flesta icke-metaller är bra isolatorer av elektricitet eftersom de har många valenselektroner i sina atomer. Till exempel har kväve fem valenselektroner, svavel har sex valenselektroner, och neon har åtta valenselektroner. Dessa ämnen har inga fria elektroner i sin struktur och tillåter inte elektrisk ström att flöda genom dem.

Några material kan också fungera som isolatorer under vissa förhållanden. Till exempel är glas och gummi bra isolatorer vid rumstemperatur, men kan bli ledare vid höga temperaturer när några av deras valenselektroner får tillräckligt med energi för att bli fria elektroner.

Isolatorer används främst för att förhindra att elektrisk ström flödar där den inte önskas eller behövs. Till exempel används isolatorer för att täcka trådar och kablar för att skydda dem från kortslutningar och elektriska stötar. Isolatorer används också för att separera olika delar av en elektronisk enhet eller krets för att förhindra oönskade interaktioner eller interferens.

Sammanfattning

Valenselektroner är elektronerna i det yttersta skalet av en atom som kan delta i kemiska bindningar och elektrisk ström. Antalet och arrangemanget av valenselektroner bestämmer många fysiska, kemiska och elektriska egenskaper hos ett element.

Elektrisk ledningsförmåga är en mätning av hur väl ett material kan tillåta en elektrisk ström att flöda genom det. Elektrisk ledningsförmåga beror på flera faktorer, såsom antalet och beteendet hos fria elektroner i materialet.

Baserat på deras elektriska ledningsförmåga och antalet valenselektroner kan material indelas i tre huvudgrupper: ledare, halvledare och isolatorer.

Ledare har hög elektrisk ledningsförmåga eftersom de har många fria elektroner som lätt kan bära en elektrisk ström. Ledare har vanligtvis ett, två eller tre valenselektroner i sina atomer.

Halvledare har måttlig elektrisk ledningsförmåga eftersom de har få fria elektroner som kan bära en elektrisk ström under vissa förhållanden. Halvledare har vanligtvis fyra valenselektroner i sina atomer.

Isolatorer har låg elektrisk ledningsförmåga eftersom de har mycket få eller inga fria elektroner som kan bära en elektrisk ström. Isolatorer har vanligtvis fem eller fler valenselektroner i sina atomer.

Dessa material har olika tillämpningar i olika elektroniska enheter, såsom transistorer, dioder, solceller, LED, laser och integrerade kretsar. Dessa enheter utnyttjar de unika egenskaperna hos dessa material, såsom deras förmåga att växla mellan ledande och isolerande tillstånd, deras känslighet för ljus och temperatur, samt deras kompatibilitet med andra material.