التركيب الذري للمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها التركيب الذري للمواد والموصلات والمواد العازلة وتصنيفها موضوع مهم للغاية ويجب دراسته بدقة وتفصيل لمعرفة طبيعة التركيب الذري ومعرفة المواد الموصلة والعزل.
التركيب الذري وتصنيف المواد والموصلات والعوازل
- المواد التي توصل الكهرباء هي تلك التي يتم فيها تحرير إلكترونات المدار الخارجي من ذراتها، وتتحرك بشكل عشوائي بين الذرات عند تعرضها لفرق جهد.
- يشير هذا إلى تلك الإلكترونات التي تعمل على إنتاج تيار كهربائي، ومن أمثلة المواد الموصلة للكهرباء النحاس والفضة والألمنيوم ومعظم المعادن الأخرى، في حين أن المواد العازلة للكهرباء صلبة.
- تلك المواد التي تكون صلبة بقوة جذب النواة لإلكترونات المدار الخارجي غير قادرة على الهروب من الذرة، ومن الأمثلة على المواد العازلة كهربيًا الورق والزجاج والبلاستيك.
- تحتوي النواة على نوعين من الأجسام، أحدهما موجب الشحنة ويسمى البروتون، والآخر محايد الشحنة ويسمى النيوترون، وتدور النواة حولهما، وتسمى الإلكترونات.
- هذه الإلكترونيات لها شحنة سالبة مع مدارات ثابتة. يعتمد الناس في جميع مجالات الأنشطة اليومية على استخدام الكهرباء. يسمى تدفق الشحنات الكهربائية بالتيار الكهربائي.
ما هي الموصلات الكهربائية؟
- إنها إحدى المواد التي تسمح بمرور الكهرباء. يضاف إلى المعادن كموصلات للكهرباء ومواد أخرى مثل الأحماض والمحاليل والكربون والقواعد. تتميز هذه المواد باحتوائها على إلكترونات حرة.
- لها مدارها النهائي وهي متحركة عندما يكون هناك قوة خارجية تدفعها للتحرك، ومن أفضل وأهم الناقلات الكهربائية المعادن والفضة والألمنيوم والنحاس والذهب.
- يعتبر النحاس من المعادن المفضلة والأكثر شهرة في التمديدات الداخلية والأجهزة الكهربائية، ويرجع ذلك إلى جودته وقلة تكلفته، وهو عكس الذهب والفضة، فتكلفتهما باهظة.
- تتميز بعض السوائل مثل الماء والمحاليل مثل المحاليل الملحية بكفاءتها في توصيل الكهرباء. يوصى بالابتعاد عن وضع الأسلاك الكهربائية في مأخذ التيار الكهربائي عندما تكون يداك مبللتين من الماء.
- حتى لا تتعرض لصدمة كهربائية، يتم تحويل بعض الغازات تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة. يطلق عليهم البلازما وهي مجموعة متنوعة من الموصلات الكهربائية، ومثال على هذه البلازما مصابيح الفلورسنت.
- تتأثر كفاءة الموصلات الكهربائية بالحرارة، لذا يفضل وجود درجات حرارة منخفضة حولها تؤدي وظيفتها بقوة وكفاءة عالية، وكذلك التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها.
يميز بين الموصلات الكهربائية والعوازل
- المواد التي لا يمر من خلالها التيار الكهربائي تسمى العوازل، مما يعني أنها ليست موصلة للكهرباء، ويرجع ذلك إلى القوة الكبيرة للرابطة بين النواة والإلكترون، وهي حرة.
- ومن الأمثلة الغازات من جميع الأنواع وبعض السوائل، والمواد الصلبة أو المتينة التي يعتبر الكربون والمعادن والعوازل ضرورية ومهمة عند لمس التدفق، مثل البلاستيك.
يميز بين الموصلات الكهربائية وأشباه الموصلات الكهربائية
- أشباه الموصلات هي تلك التي توصل الكهرباء بشكل سيئ، بالإضافة إلى كونها مادة عازلة، فهي تسمح لك بالتحكم في قدرتك على توصيل الكهرباء، والمواد المستخدمة هي السيليكون.
- يوجد الجرمانيوم في الإلكترونات التي تتكون منها أجهزة التلفزيون والراديو والترانزستورات والآلات الحاسبة. الموصلات الكهربائية تسمى الموصلات الكهربائية. المعادن من بين المواد التي توصل معظم الكهرباء.
أكثر المعادن شيوعًا التي توصل الكهرباء
- هناك معادن معروفة وبارزة يمكنها توصيل الكهرباء، وتعد الفضة من المواد المفضلة التي توصل الكهرباء لاحتوائها على إلكترونات حرة.
- عندما تمر الكهرباء عبر المعادن، فإنها تزيح الإلكترونات الموجودة في المعدن حتى تتمكن من المرور، وبالتالي كلما زادت حرية الإلكترونات في المعدن، زادت الموصلية الكهربائية.
- لذلك فهي لا تعتبر من أكثر المواد استخدامًا في مجال التوصيل الكهربائي، ويرجع ذلك إلى ارتفاع تكلفتها وارتفاع تكلفتها، حيث يعتبر النحاس من أقل المواد موصلة للكهرباء مقارنة بالفضة، ولكنه منخفض التكلفة.
- وهي أقل تكلفة من الفضة، لذلك فهي تستخدم عادة عند الحاجة إلى عدد كبير من الموصلات الكهربائية، والألمنيوم أكثر قدرة على التوصيل من حيث الوزن من النحاس بسبب انخفاض تكلفته.
- ومع ذلك، فإن استخدام الألمنيوم ينطوي على عدد من العيوب، ومن أهمها وأشهرها ميل الألمنيوم إلى تكوين أو تكوين أكسيد لتوصيل التوصيل الكهربائي للمحولات الكهربائية.
- الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الموصل، لذلك يتم استخدام هذه المادة في خطوط النقل التي تتميز بالجهد العالي ومغطاة بالفولاذ لتوفير حماية إضافية، ويكون الذهب هو الموصل.
- يعتبر من الموصلات الجيدة للكهرباء، كما أنه لا يتأكسد عند تعرضه للهواء كالصلب والنحاس على سبيل المثال، نظرا لارتفاع سعره. هذا هو السبب في أن الذهب يستخدم فقط في حالات محددة ومحددة.
- في الموصلات الكهربائية الصغيرة، الفولاذ عبارة عن سبيكة من الحديد، وهو موصل مهم وجيد للكهرباء، ولكنه شديد التآكل للهواء، لذا فهو يستخدم لإحاطة الموصلات الأخرى.
- المعادن التي ليست موصلة جيدة للكهرباء هي البلاستيك، والخشب الجاف، والزجاج، والمطاط، والماس، والهواء والماء فقط، والمياه المالحة لها موصلية كهربائية جيدة وهامة.
التوصيل الكهربائي
- تُعرَّف الموصلية الكهربائية بأنها قدرة المادة على تحمل تدفق الشحنات. على سبيل المثال، إذا كان طرفا البطارية متصلين بشريط جلفانومتر وحديد، فإن الجلفانومتر هو جهاز يستخدم في الكهرباء.
- من أجل قياس التيار الكهربائي وأنه سيظهر تدفق التيار الكهربائي عبر شريط حديدي، وهذا يعني أن الحديد من المواد التي توصل التيار الكهربائي، وأن المعادن مختلفة.
- نظرًا لقدرتها على توصيل الكهرباء، فإن الألمنيوم والفضة سيعطيان قراءات أعلى من الجلفانومتر مقارنة بالحديد، وعند استخدام الرصاص، ستعطي قراءات أقل بسبب ضعفها.
مكونات أشباه الموصلات
- يتكون أشباه الموصلات بشكل أساسي من عنصري الجرمانيوم والسيليكون، بالإضافة إلى زرنيخيد الغاليوم أو فوسفيد الإنديوم أو كبريتيد الرصاص.
- هناك العديد من المواد الأخرى التي يمكن استخدامها كأشباه موصلات، يتم تصنيع بعض المواد البلاستيكية كأشباه موصلات واستخدامها في صناعة الثنائيات.
- تُعرف مصابيح LED أيضًا باسم الثنائيات الباعثة للضوء، وبما أن البلاستيك مادة مرنة يمكن إعطاؤها أشكالًا مختلفة، فإن التركيب الذري للمادة والموصلات والعوازل وتصنيفها مهمان.
أنواع أشباه الموصلات
- تتشكل أشباه الموصلات عند إضافة الشوائب إلى المواد، وتتناقص كمية الموصلية للعنصر أو تزداد اعتمادًا على كمية ونوع الشوائب المضافة، وبالتالي توصف بأنها أشباه موصلات.
- يحتوي على نوعين رئيسيين، وهما أشباه الموصلات السالبة، والتي تحتوي على المزيد من الإلكترونات الحرة، مما يعني أنها تتمتع بموصلية أعلى، ونوع آخر من أشباه الموصلات.
- أشباه الموصلات الموجبة هي أشباه موصلات تحتوي على عدد قليل من الإلكترونات الحرة، مما يعني أنها موصلة أقل، وقد استخدم هذا المصطلح لأول مرة في العالم.
كواشف أشباه الموصلات
- عندما تصطدم الحزمة المؤينة بأشباه الموصلات، يتم إطلاق الإلكترونات من ذراتها. تتشكل الثقوب الموجبة الشحنة لأنها فقدت إلكترونات، ويحدث التكوين عند أقطاب أشباه الموصلات الحاملة للتيار.
- يمكن تضخيمه بواسطة مضخم الكتروني ثم عده. يتم استخدام العديد من التقنيات المتقدمة في تشغيل أو تصميم كاشفات أشباه الموصلات، بما في ذلك المنشطات، واستخدامها في المجالات الكهربائية.
- في المجالات الكهربائية لأشباه الموصلات، لنقل وتضخيم الشحنات المتكونة في أشباه الموصلات، يتسبب الإشعاع المؤين الوارد في تكوين أزواج إلكترونية سالبة الشحنة، وكذلك ثقوب.
- وهي موجبة الشحنة وتوجه كل منها إلى القطب المعاكس لشحن أشباه الموصلات، وتعتمد أيضًا على عدد أزواج الإلكترونات والفجوات التي يمكن أن تتشكل في الفراغات.
- يختلف تكوين سحابة الشحنات في أشباه الموصلات، ويعتمد ذلك على جودة الحزمة المؤينة الساقطة، ومن الممكن أن يتم توليد الجسيمات المشحونة الأولية وإطلاقها في أشباه الموصلات.
- يتم إطلاق الشحنات في أشباه الموصلات في طريقها، من ناحية أخرى، تؤثر الفوتونات من خلال تأثير الصورة على نقطة الاصطدام بإحدى ذرات أشباه الموصلات وتمتص الفوتون تمامًا.
استخدام الكواشف شبه الموصلة
- تتميز كاشفات أشباه الموصلات بقدرة كبيرة وعالية على تمييز طاقات الجسيمات الساقطة، ويمكن تصميمها لمعرفة اتجاه الحزمة الساقطة واستخدامها في البحث.
- كما يتم استخدام قدر كبير من البحث العلمي، مثل دراسة طيف الأشعة تحت الحمراء، وتحليل مضان الأشعة السينية ودراسة الجسيمات الأولية، في تصميم كاشف أطلس.
- بعد مصادر الهادرونيك الكبيرة، يتم استخدام أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات لأجهزة الاستشعار البصرية وكاشفات البكسل في الكاميرات الرقمية، ويمكن إنتاجها بالملايين.
كيفية الكسب غير المشروع لأشباه الموصلات
- المنشطات الإلكترونية هي عملية اصطناعية تحول بيضاوي أشباه الموصلات من شبه موصل جوهري إلى شبه موصل خارجي عن طريق إضافة كمية صغيرة من المواد.
- مادة غنية بالإلكترونات، أو بإضافة مادة مفقودة مع الإلكترونات، تسمى هذه الأخيرة فجوة الإلكترون، حيث تتحرك الكهرباء في الجهاز مع حركة الإلكترونات.
- وهو مشحون سلبًا ويزيل الفجوات الموجبة الشحنة ويستخدم زرنيخيد الغاليوم الثلاثي النقي كحامل مضاف، وهو عبارة عن شبه موصل وإذا تمت إضافة الكمية يمكن أن تكون صغيرة.
- من مادة مانحة وتحتوي على خمسة إلكترونات، مثل الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون أو العناصر الأخرى الموجودة في المجموعة الخامسة من الجدول الدوري، إلى السيليكون النقي.
- تتلوث بلوراتها بعد ذلك أو تُغطى ببلورة شبه موصلة سالبة في هذا الوقت، ولكن عند إضافة مادة متطايرة إلى البلورة النقية، فإنها تكون أحد العناصر الموجودة في المجموعة الثالثة وتتشكل.
- تحتوي ذراتها على ثلاثة إلكترونات، ثم تشكل ثلاثة إلكترونات رابطة تساهمية مع إلكترونات الذرات المجاورة، وتبقى الرابطة الرابعة غير مكتملة.
- هذه الرابطة غير مكتملة، والتي من المحتمل أن تؤدي إلى تكوين فجوة إلكترونية تسمى البلورة. هذا النوع من البلورات هو أشباه موصلات موجبة، والتركيب الذري مهم.
هنا قمنا بشرح كل ما يتعلق بموضوع التركيب الذري للمواد والموصلات والعوازل وتصنيفها ومعرفة الموصلات الكهربائية وأشهر الموصلات الكهربائية وأجهزة كشف أشباه الموصلات الكهربائية.