lärande mål
- tillämpa begreppet bandteori för att förklara beteendet hos ledare.
viktiga punkter
- en ledare är ett material som innehåller rörliga elektriska laddningar.
- i metalliska ledare, såsom koppar eller aluminium, är de rörliga laddade partiklarna elektroner, men i andra fall kan de vara joner eller andra positivt laddade arter.
- Bandteori, där molekylära orbitaler av ett fast ämne blir en serie kontinuerliga energinivåer, kan användas för att förklara beteendet hos ledare, halvledare och isolatorer.
- de flesta kända ledare är metalliska.
villkor
- metalAny av ett antal kemiska element i det periodiska systemet som bildar en metallisk bindning med andra metallatomer; i allmänhet glänsande, något formbar och hård, ofta en ledare av värme och elektricitet.
- molekylär orbitaldet kvantmekaniska beteendet hos en elektron i en molekyl som beskriver sannolikheten för elektronens speciella position och energi; approximeras av en linjär kombination av atomorbitaler.
- spänningmängden elektrostatisk potential mellan två punkter i rymden.
Ledare vs. isolatorer
en ledare är ett material som innehåller rörliga elektriska laddningar. I metallledare som koppar eller aluminium är de rörliga laddade partiklarna elektroner. Positiva laddningar kan också vara mobila, såsom katjoniska elektrolyter i ett batteri eller de mobila protonerna i protonledaren i en bränslecell. Isolatorer är icke-ledande material med få mobila laddningar, de bär endast obetydliga elektriska strömmar.
när man beskriver ledare med begreppet bandteori är det bäst att fokusera på ledare som leder elektricitet med hjälp av mobila elektroner. Enligt bandteori är en ledare helt enkelt ett material som har sitt valensband och ledningsband överlappande, vilket gör att elektroner kan strömma genom materialet med minimal applicerad spänning.
Bandteori
i fast tillståndsfysik beskriver bandstrukturen hos ett fast ämne de energiområden, kallade energiband, som en elektron i det fasta ämnet kan ha (”tillåtna band”) och energiområden som kallas bandgap (”förbjudna band”), som det kanske inte har. Bandteori modellerar beteendet hos elektroner i fasta ämnen genom att postulera förekomsten av energiband. Det använder framgångsrikt ett materials bandstruktur för att förklara många fysikaliska egenskaper hos fasta ämnen. Band kan också ses som den storskaliga gränsen för molekylär orbitalteori.
elektronerna i en enda isolerad atom upptar atomorbitaler, som bildar en diskret uppsättning energinivåer. Om flera atomer samlas i en molekyl delas deras atomorbitaler i separata molekylära orbitaler, var och en med olika energi. Detta ger ett antal molekylära orbitaler proportionella mot antalet valenselektroner. När ett stort antal atomer (1020 eller mer) samlas för att bilda ett fast ämne blir antalet orbitaler mycket stort. Följaktligen blir skillnaden i energi mellan dem mycket liten. Således bildar nivåerna i fasta ämnen kontinuerliga energiband snarare än atomernas diskreta energinivåer isolerat. Vissa energiintervaller innehåller emellertid inga orbitaler som bildar bandgap. Detta koncept blir viktigare i samband med halvledare och isolatorer .
inom ett energiband kan energinivåer betraktas som ett nära kontinuum av två skäl:
- separationen mellan energinivåer i ett fast ämne är jämförbart med den energi som elektroner ständigt utbyter med fononer (atomvibrationer).
- denna separation är jämförbar med energiosäkerheten på grund av Heisenbergs osäkerhetsprincip för rimligt långa tidsintervaller. Som ett resultat är separationen mellan energinivåerna ingen konsekvens.
Ledare
alla ledare innehåller elektriska laddningar, som kommer att röra sig när en elektrisk potentialskillnad (mätt i volt) appliceras över separata punkter på materialet. Detta laddningsflöde (mätt i ampere) är det som kallas elektrisk ström. I de flesta material är likströmmen proportionell mot spänningen (som bestäms av Ohms lag), förutsatt att temperaturen förblir konstant och materialet förblir i samma form och tillstånd.
de flesta kända ledare är metalliska. Koppar är det vanligaste materialet som används för elektriska ledningar . Silver är den bästa ledaren, men det är dyrt. Eftersom guld inte korroderar används det för högkvalitativa ytkontakter. Det finns emellertid också många icke-metalliska ledare, inklusive grafit, saltlösningar och alla plasma. Det finns även ledande polymerer.
Termisk och elektrisk ledningsförmåga går ofta ihop. Till exempel, havet av elektroner orsakar de flesta metaller att fungera både som elektriska och termiska ledare. Vissa icke-metalliska material är dock praktiska elektriska ledare utan att vara bra termiska ledare.