Що таке валентні електрони та електрична провідність

Що таке валентні електрони та електрична провідність?

Визначення валентних електронів

Атом складається з ядра, що містить протони і нейтрони, а електрони розташовані в оболонках навколо нього. Ядро має додатний заряд, а електрони — від'ємний. Атоми електрично нейтральні, оскільки у них однакова кількість протонів і електронів.

Електрони в атомі розташовані в оболонках залежно від їх енергетичних рівнів. Найближча до ядра оболонка має найнижчу енергію, а найдалекіша — найвищу. Кожна оболонка має максимальну місткість для електронів: перша оболонка може містити до 2, друга — до 8, і так далі.

Валентні електрони — це електрони в найзовнішній оболонці атомів. Вони беруть участь у хімічному зв'язуванні і можуть бути впливові на електричні або магнітні поля. Кількість валентних електронів варіюється від 1 до 8, залежно від елемента.

Валентні електрони важливі для визначення фізичних, хімічних та електричних властивостей елемента. Елементи з подібною кількістю валентних електронів зазвичай мають схожу реактивність та типи зв'язування. Різні кількості валентних електронів призводять до різних електричних провідностей та типів матеріалів.

Електрична провідність

Електрична провідність вимірює, наскільки добре матеріал дозволяє електричний струм пройти через нього. Електричний струм складається з рухомих електричних зарядів, зазвичай несомих вільними електронами або іонами. Матеріали з високою провідністю легко проводять струм, а матеріали з низькою провідністю йому опіруються.

Електрична провідність матеріалу залежить від ряду факторів, таких як його температура, структура, склад та чистота. Однак одним з найважливіших факторів є кількість та поведінка вільних електронів в матеріалі.

Вільні електрони — це валентні електрони, які не сильно зв'язані зі своїми батьківськими атомами і можуть вільно рухатися всередині матеріалу. Це саме електрони, які можуть реагувати на застосоване електричне поле або потенціальний різницю, дрейфуючи в одному напрямку, створюючи електричний струм.

Кількість та поведінка вільних електронів в матеріалі визначаються кількістю валентних електронів в його складових атомах. Загалом, матеріали з меншою кількістю валентних електронів зазвичай мають більше вільних електронів, а матеріали з більшою кількістю валентних електронів зазвичай мають менше вільних електронів.

На основі їх електричної провідності та кількості валентних електронів, матеріали можна поділити на три основні групи: провідники, напівпровідники та ізолятори.

Провідники

Провідники — це матеріали, які мають високу електричну провідність, оскільки в них багато вільних електронів, які легко можуть переносити електричний струм. Провідники зазвичай мають один, два або три валентні електрони в своїх атомах. Ці валентні електрони мають високі енергетичні рівні та слабко зв'язані зі своїми батьківськими атомами. Вони легко можуть відокремлюватися від своїх атомів або рухатися всередині матеріалу, коли застосовується електричне поле або потенціальна різниця.

Більшість металів є хорошими провідниками електричного струму, оскільки в них мало валентних електронів в атомах. Наприклад, мідь має один валентний електрон, магній — два валентні електрони, а алюміній — три валентні електрони. Ці метали мають багато вільних електронів у своїй кристалічній структурі, які можуть вільно рухатися, коли застосовується електричне поле.

Деякі неметалли також можуть діяти як провідники під певних умов. Наприклад, графіт (форма вуглецю) має чотири валентні електрони в своїх атомах, але лише три з них використовуються для зв'язування з іншими атомами вуглецю в шестигранній решітці. Четвертий валентний електрон вільно може рухатися вздовж решітки, коли застосовується електричне поле.

Напівпровідники

Напівпровідники — це матеріали, які мають середню електричну провідність, оскільки в них мало вільних електронів, які можуть переносити електричний струм під певних умов. Напівпровідники — це матеріали, які мають чотири валентні електрони в своїх атомах, таких як вуглець, кремній та германій. Ці валентні електрони використовуються для зв'язування з іншими атомами в регулярній решітковій структурі. Однак, при кімнатній температурі, деякі з цих валентних електронів можуть набути достатньо енергії, щоб відокремитися від своїх зв'язків і стати вільними електронами. Ці вільні електрони можуть потім переносити електричний струм, коли застосовується електричне поле.

Однак, кількість вільних електронів в чистому напівпровіднику дуже мала, і електрична провідність дуже погана. Тому напівпровідники часто доповнюються атомами-примісями, які мають більше або менше валентних електронів, ніж господарські атоми. Це створює надлишок або недостачу вільних електронів в напівпровіднику, що збільшує його електричну провідність.

Існує два типи доповнення: n-типу і p-типу. При доповненні n-типу, атоми-приміси з п'ятьма валентними електронами, такі як фосфор або мышьяк, додаються до напівпровідника. Ці атоми додають один додатковий валентний електрон до напівпровідника, створюючи негативний носій заряду, відомий як електрон. При доповненні p-типу, атоми-приміси з трьома валентними електронами, такі як бор або галій, додаються до напівпровідника. Ці атоми приймають один валентний електрон від напівпровідника, створюючи позитивний носій заряду, відомий як дірка.

Напівпровідники широко використовуються в різних електронних пристроях, таких як транзистори, діоди, сонячні батареї, світлодіоди (LED), лазери та інтегральні схеми. Ці пристрої використовують унікальні властивості напівпровідників, такі як здатність переключатися між провідними та ізоляторними станами, чутливість до світла та температури, та сумісність з іншими матеріалами.

Ізолятори

Ізолятори — це матеріали, які мають низьку електричну провідність, оскільки в них дуже мало або взагалі немає вільних електронів, які могли б переносити електричний струм. Ізолятори зазвичай мають п'ять або більше валентних електронів в своїх атомах. Ці валентні електрони сильно зв'язані зі своїми батьківськими атомами і потребують великої енергії, щоб відокремитися або збудитися. Тому ізолятори не реагують на застосоване електричне поле або потенціальну різницю і опираються або блокують потік електричного струму.

Більшість неметалів є хорошими ізоляторами електричного струму, оскільки в них багато валентних електронів в атомах. Наприклад, азот має п'ять валентних електронів, сірка — шість валентних електронів, а неон — вісім валентних електронів. Ці елементи не мають вільних електронів у своїй структурі і не дозволяють електричному струму проходити через них.

Деякі матеріали також можуть діяти як ізолятори під певних умов. Наприклад, скло та гума є хорошими ізоляторами при кімнатній температурі, але можуть стати провідниками при високих температурах, коли деякі з їхніх валентних електронів набувають достатньо енергії, щоб стати вільними електронами.

Ізолятори головним чином використовуються для запобігання потоку електричного струму там, де він не потрібен. Наприклад, ізолятори використовуються для покриття дротів і кабелів, щоб захистити їх від коротких замикань та електричних ударів. Ізолятори також використовуються для розділення різних частин електронного пристрою або схеми, щоб запобігти небажаним взаємодіям або перешкодам.

Висновок

Валентні електрони — це електрони в найзовнішній оболонці атома, які можуть брати участь у хімічному зв'язуванні та електричному струмі. Кількість та розташування валентних електронів визначають багато фізичних, хімічних та електричних властивостей елемента.

Електрична провідність — це міра того, наскільки добре матеріал може дозволити електричний струм пройти через нього. Електрична провідність залежить від ряду факторів, таких як кількість та поведінка вільних електронів в матеріалі.

На основі їх електричної провідності та кількості валентних електронів, матеріали можна поділити на три основні групи: провідники, напівпровідники та ізолятори.

Провідники мають високу електричну провідність, оскільки в них багато вільних електронів, які легко можуть переносити електричний струм. Провідники зазвичай мають один, два або три валентні електрони в своїх атомах.

Напівпровідники мають середню електричну провідність, оскільки в них мало вільних електронів, які можуть переносити електричний струм під певних умов. Напівпровідники зазвичай мають чотири валентні електрони в своїх атомах.

Ізолятори мають низьку електричну провідність, оскільки в них дуже мало або взагалі немає вільних електронів, які могли б переносити електричний струм. Ізолятори зазвичай мають п'ять або більше валентних електронів в своїх атомах.

Ці матеріали мають різні застосування в різних електронних пристроях, таких як транзистори, діоди, сонячні батареї, LED, лазери та інтегральні схеми. Ці пристрої використовують унікальні властивості цих матеріалів, такі як здатність переключатися між провідними та ізоляторними станами, чутливість до світла та температури, та сумісність з іншими матеріалами.