Lernziel
- Wenden Sie das Konzept der Bandtheorie an, um das Verhalten von Leitern zu erklären.
Wichtige Punkte
- Ein Leiter ist ein Material, das bewegliche elektrische Ladungen enthält.
- In metallischen Leitern wie Kupfer oder Aluminium sind die beweglichen geladenen Teilchen Elektronen, obwohl sie in anderen Fällen Ionen oder andere positiv geladene Spezies sein können.
- Die Bandtheorie, bei der die Molekülorbitale eines Festkörpers zu einer Reihe kontinuierlicher Energieniveaus werden, kann verwendet werden, um das Verhalten von Leitern, Halbleitern und Isolatoren zu erklären.
- Die meisten bekannten Leiter sind metallisch.
Terms
- Metaljeder aus einer Reihe von chemischen Elementen im Periodensystem, die eine metallische Bindung mit anderen Metallatomen bilden; im Allgemeinen glänzend, etwas formbar und hart, oft ein Leiter von Wärme und Elektrizität.
- Molekülorbitaldas quantenmechanische Verhalten eines Elektrons in einem Molekül, das die Wahrscheinlichkeit der bestimmten Position und Energie des Elektrons beschreibt; angenähert durch eine lineare Kombination von Atomorbitalen.
- SpannungDie Menge des elektrostatischen Potentials zwischen zwei Punkten im Raum.
Leiter vs. Isolatoren
Ein Leiter ist ein Material, das bewegliche elektrische Ladungen enthält. In metallischen Leitern wie Kupfer oder Aluminium sind die beweglichen geladenen Teilchen Elektronen. Positive Ladungen können auch mobil sein, wie der oder die kationischen Elektrolyte einer Batterie oder die mobilen Protonen des Protonenleiters einer Brennstoffzelle. Isolatoren sind nicht leitende Materialien mit wenigen beweglichen Ladungen, sie tragen nur unbedeutende elektrische Ströme.
Bei der Beschreibung von Leitern mit dem Konzept der Bandtheorie ist es am besten, sich auf Leiter zu konzentrieren, die Elektrizität mit mobilen Elektronen leiten. Nach der Bandtheorie ist ein Leiter einfach ein Material, dessen Valenzband und Leitungsband sich überlappen, so dass Elektronen mit minimaler angelegter Spannung durch das Material fließen können.
Bandtheorie
In der Festkörperphysik beschreibt die Bandstruktur eines Festkörpers jene Energiebereiche, Energiebänder genannt, die ein Elektron innerhalb des Festkörpers haben kann („erlaubte Bänder“) und Energiebereiche, Bandlücken genannt („verbotene Bänder“), die es möglicherweise nicht hat. Die Bandtheorie modelliert das Verhalten von Elektronen in Festkörpern, indem sie die Existenz von Energiebändern postuliert. Es verwendet erfolgreich die Bandstruktur eines Materials, um viele physikalische Eigenschaften von Festkörpern zu erklären. Bänder können auch als die großräumige Grenze der Molekülorbital-Theorie angesehen werden.
Die Elektronen eines einzelnen isolierten Atoms besetzen Atomorbitale, die einen diskreten Satz von Energieniveaus bilden. Wenn mehrere Atome zu einem Molekül zusammengeführt werden, teilen sich ihre Atomorbitale in separate Molekülorbitale mit jeweils unterschiedlicher Energie auf. Dies erzeugt eine Anzahl von Molekülorbitalen, die proportional zur Anzahl der Valenzelektronen sind. Wenn eine große Anzahl von Atomen (1020 oder mehr) zu einem Feststoff zusammengebracht wird, wird die Anzahl der Orbitale außerordentlich groß. Folglich wird der Energieunterschied zwischen ihnen sehr gering. Somit bilden die Ebenen in Festkörpern kontinuierliche Energiebänder und nicht die diskreten Energieniveaus der Atome isoliert. Einige Energieintervalle enthalten jedoch keine Orbitale und bilden Bandlücken. Dieses Konzept gewinnt im Zusammenhang mit Halbleitern und Isolatoren an Bedeutung .
Innerhalb eines Energiebandes können Energieniveaus aus zwei Gründen als nahezu Kontinuum angesehen werden:
- Die Trennung zwischen Energieniveaus in einem Festkörper ist vergleichbar mit der Energie, die Elektronen ständig mit Phononen (Atomschwingungen) austauschen.
- Diese Trennung ist vergleichbar mit der Energieunsicherheit aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation für einigermaßen lange Zeitintervalle. Infolgedessen ist die Trennung zwischen Energieniveaus ohne Bedeutung.
Leiter
Alle Leiter enthalten elektrische Ladungen, die sich bewegen, wenn eine elektrische Potentialdifferenz (gemessen in Volt) über separate Punkte auf dem Material angelegt wird. Dieser Ladungsfluss (gemessen in Ampere) wird als elektrischer Strom bezeichnet. In den meisten Materialien ist der Gleichstrom proportional zur Spannung (wie durch das Ohmsche Gesetz bestimmt), vorausgesetzt, die Temperatur bleibt konstant und das Material bleibt in der gleichen Form und im gleichen Zustand.
Die meisten bekannten Leiter sind metallisch. Kupfer ist das am häufigsten verwendete Material für elektrische Leitungen . Silber ist der beste Leiter, aber es ist teuer. Da Gold nicht korrodiert, wird es für hochwertige Oberflächen-zu-Oberflächen-Kontakte verwendet. Es gibt jedoch auch viele nichtmetallische Leiter, einschließlich Graphit, Salzlösungen und aller Plasmen. Es gibt sogar leitfähige Polymere.
Thermische und elektrische Leitfähigkeit gehen oft zusammen. Zum Beispiel bewirkt das Elektronenmeer, dass die meisten Metalle sowohl als elektrische als auch als thermische Leiter wirken. Einige nichtmetallische Materialien sind jedoch praktische elektrische Leiter, ohne gute Wärmeleiter zu sein.