Γιατί ορισμένα υλικά είναι καλύτεροι αγωγοί από άλλους;
1. Ατομική δομή:
* Αριθμός δωρεάν ηλεκτρονίων: Τα υλικά με χαλαρά δεσμευμένα ηλεκτρόνια (π.χ. μέταλλα) διαθέτουν περισσότερα δωρεάν ηλεκτρόνια για τη μεταφορά φορτίου. Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν εύκολα να μετακινηθούν από ένα άτομο στο άλλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα.
* Ατομική απόσταση: Στους αγωγούς, τα άτομα είναι στενά σε απόσταση, επιτρέποντας την ευκολότερη σκαμπανεβάσματα. Οι μονωτήρες έχουν ευρύτερη απόσταση, καθιστώντας πιο δύσκολο τα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν.
2. Δομή ζώνης:
* Συγκόλληση αγωγιμότητας και σθένους: Στα στερεά, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα επίπεδα ενέργειας που ονομάζονται ζώνες. Η ζώνη αγωγιμότητας περιέχει δωρεάν ηλεκτρόνια, ενώ η ζώνη σθένους περιέχει δεσμευμένα ηλεκτρόνια. Το χάσμα μεταξύ αυτών των ζωνών καθορίζει την αγωγιμότητα του υλικού:
* Διευθυντές: Έχουν επικαλυπτόμενες ζώνες αγωγιμότητας και σθένους, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να μετακινούνται εύκολα στη ζώνη αγωγιμότητας και να συμβάλλουν στο ρεύμα.
* μονωτήρες: Έχετε ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ των ζωνών, απαιτώντας πολλή ενέργεια για να διεγείρουν ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας.
* ημιαγωγοί: Έχουν μικρότερο κενό από τους μονωτήρες, επιτρέποντας σε ορισμένα ηλεκτρόνια να μετακινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας υπό συγκεκριμένες συνθήκες, καθιστώντας τα μερικώς αγώγιμα.
3. Θερμοκρασία:
* Αυξημένη θερμοκρασία: Για τα μέταλλα, η αυξημένη θερμοκρασία αυξάνει τις δονήσεις των ατόμων, καθιστώντας πιο δύσκολο τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα, οδηγώντας σε χαμηλότερη αγωγιμότητα.
* Αυξημένη θερμοκρασία: Για τους ημιαγωγούς, η αυξημένη θερμοκρασία διεγείρει περισσότερα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας, αυξάνοντας την αγωγιμότητα.
4. Ακαθαρσίες και ελαττώματα:
* ακαθαρσίες: Τα ξένα άτομα σε ένα υλικό μπορούν να λειτουργήσουν ως κέντρα σκέδασης για ηλεκτρόνια, παρεμποδίζοντας την κίνησή τους και μειώνοντας την αγωγιμότητα.
* ελαττώματα: Οι ατέλειες στην κρυσταλλική δομή ενός υλικού μπορούν επίσης να εμποδίσουν τη ροή ηλεκτρονίων, επηρεάζοντας την αγωγιμότητα.
Παραδείγματα:
* μέταλλα (καλοί αγωγοί): Το ασήμι, ο χαλκός, ο χρυσός έχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και χαμηλή αντίσταση, καθιστώντας τους εξαιρετικούς αγωγούς.
* μονωτήρες (κακοί αγωγοί): Το γυαλί, το καουτσούκ, το πλαστικό έχουν σφιχτά δεσμευμένα ηλεκτρόνια και υψηλή αντίσταση, καθιστώντας τους κακούς αγωγούς.
* ημιαγωγοί (ενδιάμεσοι αγωγοί): Το πυρίτιο, το γερμανικό έχει μέτρια αγωγιμότητα, που ελέγχεται από το ντόπινγκ με ακαθαρσίες για να αλλάξει τις δομές της μπάντας τους.
Συνοπτικά: Η ικανότητα ενός υλικού για τη διεξαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προσδιορίζεται από την ατομική δομή, τη δομή της ζώνης, τη θερμοκρασία και την παρουσία ακαθαρσιών ή ελαττωμάτων. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν τη διαθεσιμότητα και την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, καθορίζοντας τελικά την αγωγιμότητα του υλικού.
