อิเล็กตรอนวาเลนซ์และไฟฟ้านำคืออะไร

วาเลนซ์อิเล็กตรอนและไฟฟ้านำคืออะไร?

นิยามของวาเลนซ์อิเล็กตรอน

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอน และอิเล็กตรอนอยู่ในชั้นรอบๆ นิวเคลียสมีประจุบวก และอิเล็กตรอนมีประจุลบ อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน

อิเล็กตรอนในอะตอมเรียงตามระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดมีพลังงานต่ำที่สุด ในขณะที่อิเล็กตรอนที่อยู่ห่างที่สุดมีพลังงานสูงที่สุด แต่ละชั้นมีความจุสูงสุดสำหรับอิเล็กตรอน: ชั้นแรกสามารถบรรจุได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน ชั้นที่สองสามารถบรรจุได้สูงสุด 8 อิเล็กตรอน และอื่นๆ

วาเลนซ์อิเล็กตรอนคืออิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดของอะตอม พวกมันมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะเคมีและสามารถถูกควบคุมโดยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก จำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนแตกต่างกันตั้งแต่ 1 ถึง 8 ขึ้นอยู่กับธาตุ

วาเลนซ์อิเล็กตรอนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และไฟฟ้าของธาตุ ธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนคล้ายคลึงกันมักจะมีความไวต่อปฏิกิริยาและประเภทการสร้างพันธะที่คล้ายคลึงกัน จำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนที่แตกต่างกันทำให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าและชนิดของวัสดุที่แตกต่างกัน

ไฟฟ้านำ

ไฟฟ้านำวัดว่าวัสดุอนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ดีเพียงใด กระแสไฟฟ้าประกอบด้วยประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ โดยปกติแล้วจะถูกขนส่งโดยอิเล็กตรอนเสรีหรือไอออน วัสดุที่มีความนำไฟฟ้าสูงสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ง่าย ในขณะที่วัสดุที่มีความนำไฟฟ้าต่ำจะต้านทานกระแสไฟฟ้า

ความนำไฟฟ้าของวัสดุขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น อุณหภูมิ โครงสร้าง การประกอบ และความบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือจำนวนและการกระทำของอิเล็กตรอนเสรีในวัสดุ

อิเล็กตรอนเสรีคือวาเลนซ์อิเล็กตรอนที่ไม่ได้ผูกมัดอย่างแน่นหนาต่ออะตอมแม่ และสามารถเคลื่อนที่อย่างเสรีภายในวัสดุ พวกมันคืออิเล็กตรอนที่สามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ที่ใช้และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว สร้างกระแสไฟฟ้า

จำนวนและการกระทำของอิเล็กตรอนเสรีในวัสดุขึ้นอยู่กับจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมที่ประกอบขึ้น ทั่วไปแล้ว วัสดุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยมักจะมีอิเล็กตรอนเสรีมาก ในขณะที่วัสดุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนมากมักจะมีอิเล็กตรอนเสรีน้อย

ตามความนำไฟฟ้าและจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอน วัสดุสามารถจำแนกออกเป็นสามกลุ่มหลัก: สารนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำ และสารฉนวน

สารนำไฟฟ้า

สารนำไฟฟ้าคือวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าสูงเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมากที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ง่าย สารนำไฟฟ้ามักจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 1, 2, หรือ 3 ในอะตอม วาเลนซ์อิเล็กตรอนเหล่านี้มีระดับพลังงานสูงและผูกมัดอย่างหลวมๆ กับอะตอมแม่ พวกมันสามารถหลุดออกจากอะตอมหรือเคลื่อนที่ภายในวัสดุเมื่อมีสนามไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ที่ใช้

โลหะส่วนใหญ่เป็นสารนำไฟฟ้าที่ดีเพราะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยในอะตอม ตัวอย่างเช่น ทองแดงมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 1 แมกนีเซียมมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 2 และอลูมิเนียมมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 โลหะเหล่านี้มีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมากในโครงสร้างผลึกที่สามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายเมื่อมีสนามไฟฟ้าที่ใช้

บางธาตุที่ไม่ใช่โลหะก็สามารถทำหน้าที่เป็นสารนำไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง ตัวอย่างเช่น กราไฟต์ (รูปแบบหนึ่งของคาร์บอน) มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ในอะตอม แต่มีเพียง 3 วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่ใช้ในการสร้างพันธะกับอะตอมคาร์บอนอื่นในโครงสร้างลูกตาไก่ วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่สี่สามารถเคลื่อนที่ตามโครงสร้างเมื่อมีสนามไฟฟ้าที่ใช้

สารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าปานกลางเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีน้อยที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ในอะตอม เช่น คาร์บอน ซิลิคอน และเจอร์เมเนียม วาเลนซ์อิเล็กตรอนเหล่านี้ใช้ในการสร้างพันธะกับอะตอมอื่นในโครงสร้างผลึกที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิห้อง บางวาเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถได้รับพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกจากพันธะและกลายเป็นอิเล็กตรอนเสรี อิเล็กตรอนเสรีเหล่านี้สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้เมื่อมีสนามไฟฟ้าที่ใช้

อย่างไรก็ตาม จำนวนอิเล็กตรอนเสรีในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์น้อยมาก และความนำไฟฟ้าไม่ดี ดังนั้น สารกึ่งตัวนำมักจะถูกเจือด้วยอะตอมของธาตุแปลกปลอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนมากกว่าหรือน้อยกว่าอะตอมแม่ ซึ่งจะสร้างปริมาณส่วนเกินหรือขาดแคลนของอิเล็กตรอนเสรีในสารกึ่งตัวนำ ทำให้ความนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

มีสองประเภทของการเจือ: n-type และ p-type ในการเจือ n-type อะตอมของธาตุแปลกปลอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 เช่น ฟอสฟอรัสหรืออาร์เซนิก จะถูกเพิ่มเข้าไปในสารกึ่งตัวนำ อะตอมเหล่านี้มอบวาเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มเติมหนึ่งตัวให้กับสารกึ่งตัวนำ สร้างประจุลบเรียกว่าอิเล็กตรอน ในการเจือ p-type อะตอมของธาตุแปลกปลอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 เช่น โบรอนหรือแกลเลียม จะถูกเพิ่มเข้าไปในสารกึ่งตัวนำ อะตอมเหล่านี้ยอมรับวาเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจากสารกึ่งตัวนำ สร้างประจุบวกเรียกว่าโฮล

สารกึ่งตัวนำถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลาย เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด เซลล์แสงอาทิตย์ ไดโอดเปล่งแสง (LED) เลเซอร์ และวงจรรวม อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของสารกึ่งตัวนำ เช่น ความสามารถในการสลับระหว่างสถานะนำและสถานะฉนวน ความไวต่อแสงและอุณหภูมิ และความเข้ากันได้กับวัสดุอื่นๆ

สารฉนวน

สารฉนวนคือวัสดุที่มีความนำไฟฟ้าต่ำเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีน้อยหรือไม่มีเลยที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ สารฉนวนมักจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 หรือมากกว่าในอะตอม วาเลนซ์อิเล็กตรอนเหล่านี้ผูกมัดอย่างแน่นหนากับอะตอมแม่และต้องการพลังงานมากเพื่อหลุดหรือถูกกระตุ้น ดังนั้น สารฉนวนไม่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ที่ใช้และต้านทานหรือป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้า

ธาตุที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่เป็นสารฉนวนที่ดีเพราะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนมากในอะตอม ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 กำมะถันมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 6 และนีออนมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 8 ธาตุเหล่านี้ไม่มีอิเล็กตรอนเสรีในโครงสร้างและไม่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

บางวัสดุสามารถทำหน้าที่เป็นสารฉนวนภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง ตัวอย่างเช่น แก้วและยางเป็นสารฉนวนที่ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่สามารถกลายเป็นสารนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงเมื่อวาเลนซ์อิเล็กตรอนบางตัวได้รับพลังงานเพียงพอที่จะกลายเป็นอิเล็กตรอนเสรี

สารฉนวนใช้ในการป้องกันกระแสไฟฟ้าจากการไหลในที่ที่ไม่ต้องการหรือไม่จำเป็น ตัวอย่างเช่น สารฉนวนใช้ในการเคลือบสายไฟและสายเคเบิลเพื่อป้องกันการเกิดวงจรป้อนกลับและกระแสไฟฟ้าช็อก สารฉนวนยังใช้ในการแยกส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือวงจรเพื่อป้องกันการสื่อสารหรือการแทรกแซงที่ไม่ต้องการ

สรุป

วาเลนซ์อิเล็กตรอนคืออิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดของอะตอมที่สามารถมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะเคมีและกระแสไฟฟ้า จำนวนและตำแหน่งของวาเลนซ์อิเล็กตรอนกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และไฟฟ้าของธาตุ

ความนำไฟฟ้าคือการวัดว่าวัสดุอนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ดีเพียงใด ความนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น จำนวนและการกระทำของอิเล็กตรอนเสรีในวัสดุ

ตามความนำไฟฟ้าและจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอน วัสดุสามารถจำแนกออกเป็นสามกลุ่มหลัก: สารนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำ และสารฉนวน

สารนำไฟฟ้ามีความนำไฟฟ้าสูงเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมากที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ง่าย สารนำไฟฟ้ามักจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 1, 2, หรือ 3 ในอะตอม

สารกึ่งตัวนำมีความนำไฟฟ้าปานกลางเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีน้อยที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง สารกึ่งตัวนำมักจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ในอะตอม

สารฉนวนมีความนำไฟฟ้าต่ำเพราะมีอิเล็กตรอนเสรีน้อยหรือไม่มีเลยที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ สารฉนวนมักจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 หรือมากกว่าในอะตอม

วัสดุเหล่านี้มีการประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลาย เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด เซลล์แสงอาทิตย์ LED เลเซอร์ และวงจรรวม อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุเหล่านี้ เช่น ความสามารถในการสลับระหว่างสถานะนำและสถานะฉนวน ความไวต่อแสงและอุณหภูมิ และความเข้ากันได้กับวัสดุอื่นๆ