Inleiding tot geleiding en geleiders

Inmiddels zou je goed op de hoogte moeten zijn van de correlatie tussen elektrische geleidbaarheid en bepaalde soorten materialen. Die materialen die een gemakkelijke doorgang van vrije elektronen mogelijk maken, worden geleiders genoemd , terwijl die materialen die de doorgang van vrije elektronen belemmeren, isolatoren worden genoemd .

Helaas zijn de wetenschappelijke theorieën die uitleggen waarom bepaalde materialen wel en andere niet geleiden, behoorlijk complex, geworteld in kwantummechanische verklaringen over hoe elektronen rond de kernen van atomen zijn gerangschikt. In tegenstelling tot het bekende "planetaire" model van elektronen die rond een atoomkern wervelen als goed gedefinieerde brokken materie in cirkelvormige of elliptische banen, gedragen elektronen in "baan" zich helemaal niet als stukjes materie. Integendeel, ze vertonen de kenmerken van zowel deeltje als golf, hun gedrag wordt beperkt door plaatsing in verschillende zones rond de kern die "schillen" en "subschillen" worden genoemd. Elektronen kunnen deze zones slechts in een beperkt bereik van energieën bezetten, afhankelijk van de specifieke zone en hoe bezet die zone is met andere elektronen. Als elektronen zich werkelijk zouden gedragen als minuscule planeten die door elektrostatische aantrekking in een baan rond de kern worden gehouden, en hun acties beschreven door dezelfde wetten die de bewegingen van echte planeten beschrijven, zou er geen echt onderscheid kunnen zijn tussen geleiders en isolatoren, en zouden chemische bindingen tussen atomen niet bestaan ​​zoals ze nu zijn. Het is de discrete, "gekwantificeerde" aard van elektronenenergie en plaatsing beschreven door de kwantumfysica die deze verschijnselen hun regelmaat geeft.

Atoom in opgewonden toestand

Wanneer een elektron vrij is om hogere energietoestanden aan te nemen rond de atoomkern (vanwege zijn plaatsing in een bepaalde "schil"), kan het vrij zijn om van het atoom los te komen en deel uit te maken van een elektrische stroom door de substantie.

Grondtoestand Atoom

Als de kwantumbeperkingen die aan een elektron worden opgelegd het deze vrijheid echter ontzeggen, wordt het elektron als "gebonden" beschouwd en kan het niet (althans niet gemakkelijk) loskomen om een ​​stroom te vormen. Het eerste scenario is typerend voor geleidende materialen, terwijl het laatste typerend is voor isolatiematerialen.

Sommige leerboeken zullen je vertellen dat de elektrische geleidbaarheid van een element uitsluitend wordt bepaald door het aantal elektronen dat zich in de buitenste "schil" van de atomen bevindt (de valentie genoemd). shell), maar dit is een te grote vereenvoudiging, zoals elk onderzoek van geleidbaarheid versus valentie-elektronen in een tabel met elementen zal bevestigen. De ware complexiteit van de situatie wordt verder onthuld als we kijken naar de geleidbaarheid van moleculen (verzamelingen van atomen die aan elkaar zijn gebonden door elektronenactiviteit).

Een goed voorbeeld hiervan is het element koolstof, dat bestaat uit materialen met sterk verschillende geleidbaarheid:grafiet en diamant . Grafiet is een goede geleider van elektriciteit, terwijl diamant praktisch een isolator is (nog vreemder, het is technisch geclassificeerd als een halfgeleider , die in zijn zuivere vorm als een isolator werkt, maar kan geleiden onder hoge temperaturen en/of onder invloed van onzuiverheden). Zowel grafiet als diamant zijn samengesteld uit exact dezelfde soorten atomen:koolstof, met elk 6 protonen, 6 neutronen en 6 elektronen. Het fundamentele verschil tussen grafiet en diamant is dat grafietmoleculen platte groepen koolstofatomen zijn, terwijl diamantmoleculen tetraëdrische (piramidevormige) groepen koolstofatomen zijn.

De opzettelijke introductie van onzuiverheden in een intrinsieke halfgeleider met als doel de elektrische, optische en structurele eigenschappen ervan te veranderen, wordt doping genoemd. . Als koolstofatomen worden samengevoegd met andere soorten atomen om verbindingen te vormen, wordt de elektrische geleidbaarheid opnieuw gewijzigd. Siliciumcarbide, een verbinding van de elementen silicium en koolstof, vertoont niet-lineair gedrag:de elektrische weerstand neemt af met toenemende aangelegde spanning! Koolwaterstofverbindingen (zoals de moleculen die in oliën worden aangetroffen) zijn over het algemeen zeer goede isolatoren. Zoals je kunt zien, is een simpele telling van valentie-elektronen in een atoom een ​​slechte indicator voor de elektrische geleidbaarheid van een stof.

Alle metalen elementen zijn goede geleiders van elektriciteit, vanwege de manier waarop de atomen zich met elkaar verbinden. De elektronen van de atomen die een massa metaal vormen, zijn zo ongeremd in hun toelaatbare energietoestanden dat ze vrij tussen de verschillende kernen in de substantie zweven, gemakkelijk gemotiveerd door een elektrisch veld. De elektronen zijn zelfs zo mobiel dat ze door wetenschappers soms worden beschreven als een elektronengas , of zelfs een elektronenzee waarin de atoomkernen rusten. Deze elektronenmobiliteit is verantwoordelijk voor enkele van de andere veelvoorkomende eigenschappen van metalen:goede warmtegeleiding, kneedbaarheid en ductiliteit (gemakkelijk te vormen tot verschillende vormen) en een glanzende afwerking als ze puur zijn.

Gelukkig is de fysica achter dit alles grotendeels irrelevant voor onze doeleinden hier. Het volstaat te zeggen dat sommige materialen goede geleiders zijn, sommige slechte geleiders en sommige daartussenin. Voor nu is het goed genoeg om gewoon te begrijpen dat deze verschillen worden bepaald door de configuratie van de elektronen rond de samenstellende atomen van het materiaal.

Een belangrijke stap om ervoor te zorgen dat elektriciteit ons aanbod doet, is om paden te kunnen construeren om stroom te laten stromen met gecontroleerde hoeveelheden weerstand. Het is ook van vitaal belang dat we kunnen voorkomen dat stroom stroomt waar we dat niet willen, door gebruik te maken van isolatiematerialen. Niet alle geleiders zijn echter hetzelfde, en ook niet alle isolatoren. We moeten enkele kenmerken van gewone geleiders en isolatoren begrijpen en deze kenmerken kunnen toepassen op specifieke toepassingen.

Bijna alle geleiders hebben een bepaalde, meetbare weerstand (speciale soorten materialen genaamd supergeleiders hebben absoluut geen elektrische weerstand, maar dit zijn geen gewone materialen en ze moeten onder speciale omstandigheden worden gehouden om supergeleidend te zijn). Meestal nemen we aan dat de weerstand van de geleiders in een circuit nul is, en we verwachten dat er stroom doorheen gaat zonder een merkbare spanningsval te veroorzaken. In werkelijkheid zal er echter bijna altijd een spanningsdaling zijn langs de (normale) geleidende paden van een elektrisch circuit, of we nu willen dat er een spanningsdaling is of niet:

Om te berekenen wat deze spanningsdalingen in een bepaald circuit zullen zijn, moeten we de weerstand van gewone draad kunnen bepalen, waarbij we de draadmaat en diameter kennen. Sommige van de volgende paragrafen van dit hoofdstuk gaan in op de details om dit te doen.

BEOORDELING:

• Elektrische geleidbaarheid van een materiaal wordt bepaald door de configuratie van elektronen in die materialen, atomen en moleculen (groepen gebonden atomen).
• Alle normale geleiders hebben tot op zekere hoogte weerstand.
• Stroom die door een geleider met (enige) weerstand vloeit, veroorzaakt een zekere spanningsval over de lengte van die geleider.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Geleiders en isolatoren
• Werkblad Specifieke weerstand van geleiders