læringsmål
- Anvend begrebet bandteori til at forklare ledernes adfærd.
nøglepunkter
- en leder er et materiale, der indeholder bevægelige elektriske ladninger.
- i metalliske ledere, såsom kobber eller aluminium, er de bevægelige ladede partikler elektroner, men i andre tilfælde kan de være ioner eller andre positivt ladede arter.
- Bandteori, hvor molekylære orbitaler af et fast stof bliver en række kontinuerlige energiniveauer, kan bruges til at forklare adfærd af ledere, halvledere og isolatorer.
- de fleste kendte ledere er metalliske.
Vilkår
- metalenhver af en række kemiske elementer i det periodiske system, der danner en metallisk binding med andre metalatomer; generelt skinnende, noget formbar og hård, ofte en leder af varme og elektricitet.
- molekylær orbitalden kvantemekaniske opførsel af en elektron i et molekyle, der beskriver sandsynligheden for elektronens særlige position og energi; tilnærmet af en lineær kombination af atomorbitaler.
- spændingmængden af elektrostatisk potentiale mellem to punkter i rummet.
ledere vs. isolatorer
en leder er et materiale, der indeholder bevægelige elektriske ladninger. I metalliske ledere såsom kobber eller aluminium er de bevægelige ladede partikler elektroner. Positive ladninger kan også være mobile, såsom kationisk elektrolyt(er) af et batteri eller de mobile protoner af protonlederen af en brændselscelle. Isolatorer er ikke-ledende materialer med få mobile ladninger; de bærer kun ubetydelige elektriske strømme.
ved beskrivelse af ledere ved hjælp af begrebet båndteori er det bedst at fokusere på ledere, der leder elektricitet ved hjælp af mobile elektroner. Ifølge båndteori er en leder simpelthen et materiale, der har sit valensbånd og ledningsbånd overlappende, hvilket tillader elektroner at strømme gennem materialet med minimal påført spænding.
Båndteori
i solid state-fysik beskriver båndstrukturen i et fast stof de energiområder, kaldet energibånd, som en elektron i det faste stof kan have (“tilladte bånd”) og energiområder kaldet båndhuller (“forbudte bånd”), som det muligvis ikke har. Bandteori modellerer opførsel af elektroner i faste stoffer ved at postulere eksistensen af energibånd. Det bruger med succes et materiales båndstruktur til at forklare mange fysiske egenskaber ved faste stoffer. Bånd kan også ses som den store grænse for molekylær orbitalteori.
elektronerne i et enkelt isoleret atom optager atomorbitaler, som danner et diskret sæt energiniveauer. Hvis flere atomer bringes sammen i et molekyle, opdeles deres atomorbitaler i separate molekylære orbitaler, hver med en anden energi. Dette producerer et antal molekylære orbitaler, der er proportionale med antallet af valenselektroner. Når et stort antal atomer (1020 eller mere) bringes sammen for at danne et fast stof, bliver antallet af orbitaler meget stort. Derfor bliver forskellen i energi mellem dem meget lille. Således danner niveauerne i faste stoffer kontinuerlige bånd af energi snarere end de diskrete energiniveauer af atomerne isoleret. Imidlertid indeholder nogle intervaller af energi ingen orbitaler, der danner båndhuller. Dette koncept bliver vigtigere i forbindelse med halvledere og isolatorer .
inden for et energibånd kan energiniveauer betragtes som et næsten kontinuum af to grunde:
- adskillelsen mellem energiniveauer i et fast stof er sammenlignelig med den energi, som elektroner konstant udveksler med fononer (atomvibrationer).
- denne adskillelse er sammenlignelig med energiusikkerheden på grund af Heisenberg usikkerhedsprincippet i rimeligt lange tidsintervaller. Som et resultat er adskillelsen mellem energiniveauer ingen konsekvens.
ledere
alle ledere indeholder elektriske ladninger, som vil bevæge sig, når en elektrisk potentialforskel (målt i volt) påføres på tværs af separate punkter på materialet. Denne strøm af ladning (målt i ampere) er det, der kaldes elektrisk strøm. I de fleste materialer er jævnstrømmen proportional med spændingen (som bestemt af Ohms lov), forudsat at temperaturen forbliver konstant, og materialet forbliver i samme form og tilstand.
de fleste kendte ledere er metalliske. Kobber er det mest almindelige materiale, der anvendes til elektriske ledninger . Sølv er den bedste dirigent, men det er dyrt. Da guld ikke korroderer, bruges det til overfladekontakter af høj kvalitet. Der er dog også mange ikke-metalliske ledere, herunder grafit, saltopløsninger og alle plasmaer. Der er endda ledende polymerer.
termisk og elektrisk ledningsevne går ofte sammen. For eksempel får havet af elektroner de fleste metaller til at fungere både som elektriske og termiske ledere. Imidlertid er nogle ikke-metalliske materialer praktiske elektriske ledere uden at være gode termiske ledere.