Learning Objective
- sovelletaan kaistateorian käsitettä johtimien käyttäytymisen selittämiseen.
avainkohdat
- johdin on materiaali, joka sisältää liikuteltavia sähkövarauksia.
- metallisissa johtimissa, kuten kuparissa tai alumiinissa, liikkuvat varautuneet hiukkaset ovat elektroneja, joskin muissa tapauksissa ne voivat olla ioneja tai muita positiivisesti varautuneita lajeja.
- Kaistateoriaa, jossa kiinteän aineen molekyyliorbitaalit muuttuvat jatkuvien energiatasojen sarjaksi, voidaan käyttää selittämään johtimien, puolijohteiden ja eristeiden käyttäytymistä.
- tutuimmat johtimet ovat metallisia.
termit
- metalania useista jaksollisen järjestelmän alkuaineista, jotka muodostavat metallisen sidoksen muiden metalliatomien kanssa; yleensä kiiltävät, jossain määrin Muokattavat ja kovat, usein lämmön ja sähkön johtimet.
- molekyyliorbitaali elektronin kvanttimekaaninen käyttäytyminen molekyylissä, joka kuvaa elektronin erityisen sijainnin ja energian todennäköisyyttä; approksimoidaan atomiorbitaalien lineaarisella yhdistelmällä.
- voltageThe sähköstaattisen potentiaalin määrä kahden pisteen välillä avaruudessa.
johtimet vs. eristeet
johdin on materiaali, joka sisältää liikuteltavia sähkövarauksia. Metallisissa johtimissa kuten kuparissa tai alumiinissa liikuteltavat varautuneet hiukkaset ovat elektroneja. Positiiviset varaukset voivat olla myös liikkuvia, kuten akun kationinen elektrolyytti(t) tai polttokennon protonijohtimen liikkuvat protonit. Eristeet ovat johtamattomia materiaaleja, joilla on vain vähän liikkuvia Latauksia; ne kuljettavat vain merkityksettömiä sähkövirtoja.
kuvattaessa johtimia kaistateorian käsitteellä on parasta keskittyä johtimiin, jotka johtavat sähköä liikkuvien elektronien avulla. Kaistateorian mukaan johdin on yksinkertaisesti materiaali, jossa valenssikaistansa ja johtuvuuskaistansa ovat limittäin, jolloin elektronit pääsevät virtaamaan materiaalin läpi mahdollisimman pienellä jännitteellä.
Kaistateoria
kiinteän olomuodon fysiikassa kiinteän olomuodon kaistarakenne kuvaa niitä energiavälejä, joita kutsutaan energiakaistoiksi, joita kiinteässä olomuodossa olevalla elektronilla voi olla (”sallitut kaistat”) ja energiavälejä, joita kutsutaan kaistanaukoiksi (”kielletyt kaistat”), joita sillä ei välttämättä ole. Kaistateoria mallintaa elektronien käyttäytymistä kiinteissä aineissa olettamalla energiakaistojen olemassaolon. Se käyttää onnistuneesti materiaalin kaistarakennetta monien kiinteiden aineiden fysikaalisten ominaisuuksien selittämiseen. Bändejä voidaan pitää myös molekyyliorbitaaliteorian suurena rajana.
yksittäisen eristetyn atomin elektronit miehittävät atomiorbitaaleja, jotka muodostavat diskreetin energiatasojen joukon. Jos Useita atomeja yhdistyy molekyyliksi, niiden atomiorbitaalit jakautuvat erillisiksi molekyyliorbitaaleiksi, joilla kullakin on eri energia. Näin syntyy valenssielektronien määrään suhteutettu määrä molekyyliorbitaaleja. Kun suuri määrä atomeja (1020 tai enemmän) kootaan yhteen muodostaen kiinteän aineen, orbitaalien määrä kasvaa tavattoman suureksi. Näin ollen niiden välinen energiaero tulee hyvin pieneksi. Näin ollen kiinteissä aineissa tasot muodostavat jatkuvia energiatasoja eristyksissä olevien atomien diskreettien energiatasojen sijaan. Joissakin energian intervalleissa ei kuitenkaan ole orbitaaleja, jotka muodostavat kaistan aukkoja. Tämä käsite tulee tärkeämmäksi puolijohteiden ja eristeiden yhteydessä .
energiakaistan sisällä energiatasoja voidaan pitää lähes jatkumona kahdesta syystä:
- kiinteän aineen energiatasojen erotus on verrattavissa energiaan, jota elektronit vaihtavat jatkuvasti fononien kanssa (atomivärähtelyt).
- tämä erottelu on verrannollinen Heisenbergin epävarmuusperiaatteesta aiheutuvaan energian epävarmuuteen kohtuullisen pitkille aikaväleille. Tämän vuoksi energiatasojen erolla ei ole merkitystä.
johtimet
kaikki johtimet sisältävät sähkövarauksia, jotka liikkuvat, kun materiaaliin kohdistuu erillisiin pisteisiin (voltteina mitattu) sähköinen potentiaaliero. Tämä varausvirta (mitattuna ampeereina) on niin sanottu sähkövirta. Useimmissa materiaaleissa tasavirta on verrannollinen jännitteeseen (joka määräytyy Ohmin lain mukaan) edellyttäen, että lämpötila pysyy vakiona ja materiaali pysyy samassa muodossa ja tilassa.
tutuimmat johtimet ovat metallisia. Kupari on yleisin sähköjohdoissa käytetty materiaali . Hopea on paras kapellimestari, mutta se on kallista. Koska kulta ei syövy, sitä käytetään laadukkaisiin pintakosketuksiin. On kuitenkin olemassa myös monia ei-metallisia johtimia, kuten grafiittia, suolaliuoksia ja kaikkia plasmoja. On jopa johtavia polymeerejä.
lämmön-ja sähkönjohtavuus menevät usein yhteen. Esimerkiksi elektronien meri saa useimmat metallit toimimaan sekä sähkö-että lämpöjohtimina. Jotkut ei-metalliset materiaalit ovat kuitenkin käytännöllisiä sähköjohtimia ilman hyviä lämpöjohtimia.