tanulási cél
- alkalmazza a sávelmélet fogalmát a vezetők viselkedésének magyarázatára.
főbb pontok
- a vezető olyan anyag, amely mozgatható elektromos töltéseket tartalmaz.
- fémvezetőkben, például rézben vagy alumíniumban a mozgatható töltött részecskék elektronok, bár más esetekben ionok vagy más pozitív töltésű fajok lehetnek.
- Sávelmélet, ahol a szilárd anyag molekuláris pályái folyamatos energiaszintek sorozatává válnak, felhasználható a vezetők, félvezetők és szigetelők viselkedésének magyarázatára.
- a legtöbb ismerős vezető fémes.
kifejezések
- metalAny a periódusos rendszer számos kémiai eleméből, amelyek fémes kötést képeznek más fématomokkal; általában fényes, kissé alakítható és kemény, gyakran hő-és elektromosságvezető.
- molecular orbitalaz elektron kvantummechanikai viselkedése egy molekulában, amely leírja az elektron adott helyzetének és energiájának valószínűségét; az atompályák lineáris kombinációjával közelíthető meg.
- feszültségaz elektrosztatikus potenciál mennyisége a tér két pontja között.
vezetők vs.szigetelők
a vezető olyan anyag, amely mozgatható elektromos töltéseket tartalmaz. Fémvezetőkben, például rézben vagy alumíniumban a mozgatható töltött részecskék elektronok. A pozitív töltések mozgékonyak is lehetnek, például az akkumulátor kationos elektrolitja(i) vagy az üzemanyagcella protonvezetőjének mobil protonjai. A szigetelők nem vezető anyagok, kevés mobil töltéssel, csak jelentéktelen elektromos áramot hordoznak.
a sávelmélet fogalmát használó vezetők leírásakor a legjobb, ha olyan vezetőkre összpontosítunk, amelyek mobil elektronok segítségével vezetik az áramot. A sávelmélet szerint a vezető egyszerűen olyan anyag, amelynek vegyértéksávja és vezetési sávja átfedésben van, lehetővé téve az elektronok minimális alkalmazott feszültséggel történő áramlását az anyagon.
Sávelmélet
a szilárdtest fizikában a szilárd anyag sávszerkezete leírja azokat az energiatartományokat, amelyeket energiasávoknak neveznek, hogy a szilárd anyagon belüli elektronnak lehetnek (“megengedett sávok”) és az úgynevezett energiatartományok sávrések (“tiltott sávok”), amelyek esetleg nem rendelkeznek. A sávelmélet modellezi az elektronok viselkedését a szilárd anyagokban az energiasávok létezésének posztulálásával. Sikeresen használja az anyag sávszerkezetét a szilárd anyagok számos fizikai tulajdonságának magyarázatára. A sávok a molekuláris orbitális elmélet nagyszabású határának is tekinthetők.
egyetlen izolált atom elektronjai elfoglalják az atompályákat, amelyek diszkrét energiaszintet alkotnak. Ha több atomot hoznak össze egy molekulává, akkor atompályáik külön molekulapályákra oszlanak, amelyek mindegyike eltérő energiával rendelkezik. Ez számos molekuláris pályát eredményez, amelyek arányosak a vegyérték elektronok számával. Ha nagy számú atomot (1020 vagy több) hoznak össze, hogy szilárd anyagot képezzenek, a pályák száma rendkívül nagy lesz. Következésképpen az energia közötti különbség nagyon kicsi lesz. Így a szilárd anyagokban a szintek folyamatos energiasávokat képeznek, nem pedig az atomok különálló energiaszintjeit. Bizonyos energiaintervallumok azonban nem tartalmaznak pályákat, sávréseket képeznek. Ez a koncepció egyre fontosabbá válik a félvezetők és szigetelők összefüggésében .
egy energiasávon belül az energiaszintek két okból közel kontinuumnak tekinthetők:
- a szilárd anyag energiaszintjeinek elválasztása összehasonlítható azzal az energiával, amelyet az elektronok folyamatosan cserélnek a fononokkal (atomi rezgések).
- ez az elválasztás összehasonlítható a Heisenberg bizonytalansági elvéből adódó energiabizonytalansággal ésszerűen hosszú időközönként. Ennek eredményeként az energiaszintek közötti elválasztásnak nincs következménye.
vezetékek
minden vezető tartalmaz elektromos töltéseket, amelyek akkor mozognak, ha az anyag külön pontjain elektromos potenciálkülönbséget (voltban mérve) alkalmaznak. Ezt a töltésáramot (amperben mérve) nevezzük elektromos áram. A legtöbb anyagban az egyenáram arányos a feszültséggel (az Ohm törvénye szerint), feltéve, hogy a hőmérséklet állandó marad, és az anyag változatlan formában és állapotban marad.
a legtöbb ismerős vezető fémes. A réz a leggyakoribb anyag az elektromos vezetékekhez . Az ezüst a legjobb karmester, de drága. Mivel az arany nem korrodálódik, kiváló minőségű felület-felület érintkezésekhez használják. Azonban sok nemfémes vezető is van, beleértve a grafitot, a sók oldatait, valamint az összes plazmát. Vannak még vezetőképes polimerek is.
a hő-és elektromos vezetőképesség gyakran együtt jár. Például az elektronok tengere miatt a legtöbb fém elektromos és hővezetőként is működik. Néhány nemfémes anyag azonban praktikus elektromos vezető, anélkül, hogy jó hővezető lenne.