الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات
تصنف المواد على أنها موصلات أو عوازل أو أشباه موصلات وفقًا لتوصيلها الكهربائي. يمكن فهم التصنيفات من الناحية الذرية. يمكن أن تحتوي الإلكترونات في الذرة على طاقات معينة محددة جيدًا ، واعتمادًا على طاقاتها ، يقال أن الإلكترونات تشغل مستويات طاقة معينة. في ذرة نموذجية تحتوي على العديد من الإلكترونات ، تمتلئ مستويات الطاقة المنخفضة ، ولكل منها عدد الإلكترونات المسموح به من خلال قاعدة ميكانيكية كمية تُعرف باسم مبدأ استبعاد باولي. اعتمادًا على العنصر ، قد يكون أو لا يكون أعلى مستوى طاقة يحتوي على إلكترونات ممتلئًا تمامًا. إذا تم تقريب ذرتين من بعض العناصر معًا بما يكفي بحيث تتفاعلان ، فإن نظام الذرتين له مستويان متباعدان عن كثب لكل مستوى من ذرة واحدة. إذا تفاعلت 10 ذرات ، فسيكون لنظام 10 ذرات مجموعة من 10 مستويات تقابل كل مستوى من ذرات فردية. في الحالة الصلبة ، يكون عدد الذرات وبالتالي عدد المستويات كبيرًا جدًا ؛ تتداخل معظم مستويات الطاقة الأعلى بطريقة مستمرة باستثناء بعض الطاقات التي لا توجد فيها مستويات على الإطلاق. تسمى مناطق الطاقة ذات المستويات نطاقات الطاقة ، ويشار إلى المناطق التي لا تحتوي على مستويات باسم فجوات النطاق.
اختبار
الكهرباء: دوائر قصيرة وتيارات مباشرة
من اكتشف قانون التحليل الكهربائي؟
أعلى نطاق طاقة تشغله الإلكترونات هو نطاق التكافؤ. في الموصل ، يتم ملء شريط التكافؤ جزئيًا ، وبما أن هناك العديد من المستويات الفارغة ، فإن الإلكترونات حرة في الحركة تحت تأثير المجال الكهربائي ؛ وبالتالي ، في المعدن ، يكون نطاق التكافؤ هو أيضًا نطاق التوصيل. في العازل ، تملأ الإلكترونات نطاق التكافؤ تمامًا ؛ والفجوة بينها وبين النطاق التالي ، وهو نطاق التوصيل ، كبير. لا تستطيع الإلكترونات التحرك تحت تأثير المجال الكهربائي إلا إذا أعطيت طاقة كافية لعبور فجوة الطاقة الكبيرة إلى نطاق التوصيل. في أشباه الموصلات ، تكون الفجوة في نطاق التوصيل أصغر من العازل. في درجة حرارة الغرفة ، يكون شريط التكافؤ ممتلئًا بالكامل تقريبًا. عدد قليل من الإلكترونات مفقودة من نطاق التكافؤ لأنها اكتسبت طاقة حرارية كافية لعبور فجوة النطاق إلى نطاق التوصيل ؛ ونتيجة لذلك ، يمكنهم التحرك تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. "الثقوب" المتبقية في نطاق التكافؤ هي حاملات شحن متنقلة ولكنها تتصرف مثل حاملات الشحن الموجبة.
بالنسبة للعديد من المواد ، بما في ذلك المعادن ، تميل مقاومة تدفق الشحنة إلى الزيادة مع درجة الحرارة. على سبيل المثال ، تزيد زيادة بمقدار 5 درجات مئوية (9 درجات فهرنهايت) من مقاومة النحاس بنسبة 2 في المائة. في المقابل ، تقل مقاومة العوازل وخاصة أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم بسرعة مع درجة الحرارة ؛ تؤدي الطاقة الحرارية المتزايدة إلى أن تملأ بعض الإلكترونات مستويات في نطاق التوصيل ، حيث تتأثر بحرية المجال الكهربائي ، حيث تتأثر بحرية المجال. فرق الطاقة بين مستويات التكافؤ ونطاق التوصيل له تأثير قوي على موصلية هذه المواد ، مع وجود فجوة أصغر تؤدي إلى توصيل أعلى في درجات حرارة منخفضة.
تظهر قيم المقاومة الكهربائية المدرجة في الجدول 2 اختلافًا كبيرًا للغاية في قدرة المواد المختلفة على توصيل الكهرباء. السبب الرئيسي للاختلاف الكبير هو النطاق الواسع في توافر وتنقل حاملات الشحن داخل المواد. يحتوي الأسلاك النحاسية في الشكل 12 ، على سبيل المثال ، على العديد من شركات النقل المحمولة للغاية ؛ تحتوي كل ذرة نحاسية على إلكترون حر واحد تقريبًا ، وهو شديد الحركة بسبب كتلته الصغيرة. الإلكتروليت ، مثل محلول المياه المالحة ، ليس موصلًا جيدًا مثل النحاس. توفر أيونات الصوديوم والكلور في المحلول حاملات الشحن. تزداد الكتلة الكبيرة لكل من أيون الصوديوم والكلور مع تجمع أيونات أخرى جذابة حولها. ونتيجة لذلك ، فإن أيونات الصوديوم والكلور أكثر صعوبة في الحركة من الإلكترونات الحرة في النحاس. الماء النقي هو أيضًا موصل ، على الرغم من أنه فقير لأنه لا يتم فصل سوى جزء صغير جدًا من جزيئات الماء إلى أيونات. الأكسجين والنيتروجين وغازات الأرجون التي تشكل الغلاف الجوي موصلة إلى حد ما لأن القليل من ناقلات الشحنة تتكون عندما تتأين الغازات من الإشعاع من العناصر المشعة على الأرض وكذلك من الأشعة الكونية خارج الأرض (أي النوى الذرية عالية السرعة و الإلكترونات). الرحلان الكهربائي هو تطبيق مثير للاهتمام يعتمد على حركة الجسيمات المعلقة في محلول إلكتروليتي. تتحرك الجسيمات المختلفة (البروتينات ، على سبيل المثال) في نفس المجال الكهربائي بسرعات مختلفة ؛ يمكن استخدام الفرق في السرعة لفصل محتويات التعليق.
التيار المتدفق عبر سلك يسخنه. تحدث هذه الظاهرة المألوفة في ملفات التسخين لمدى كهربائي أو في خيوط التنغستن الساخنة لمصباح كهربائي. هذا التسخين الأومي هو أساس الصمامات المستخدمة لحماية الدوائر الكهربائية ومنع الحرائق ؛ إذا تجاوز التيار قيمة معينة ، فإن المصهر ، المصنوع من سبيكة ذات نقطة انصهار منخفضة ، يذوب ويقطع تدفق التيار. تبددت الطاقة P في المقاومة R التي يتم من خلالها تدفق التيار
حيث P بالواط (واط واحد يساوي جولًا في الثانية) ، i بالأمبير ، و R بالأوم. وفقًا لقانون أوم ، يتم إعطاء الفرق المحتمل V بين طرفي المقاوم بواسطة V = iR ، وبالتالي يمكن التعبير عن الطاقة P بشكل مكافئ مثل
ومع ذلك ، في بعض المواد ، يختفي فجأة الطاقة التي تتجلى في صورة حرارة فجأة إذا تم تبريد الموصل إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. اختفاء كل المقاومة ظاهرة تعرف بالموصلية الفائقة. كما ذكرنا سابقًا ، تكتسب الإلكترونات بعض متوسط سرعة الانجراف v تحت تأثير المجال الكهربائي في السلك. عادة الإلكترونات ، التي تتعرض لقوة بسبب المجال الكهربائي ، تتسارع وتكتسب بسرعة أكبر. ومع ذلك ، فإن سرعتها محدودة في السلك لأنها تفقد بعضًا من طاقتها المكتسبة للسلك في تصادمات مع إلكترونات أخرى وفي تصادمات مع ذرات في السلك. يتم نقل الطاقة المفقودة إلى إلكترونات أخرى ، والتي تشع لاحقًا ، أو يصبح السلك متحمسًا مع اهتزازات ميكانيكية صغيرة يشار إليها باسم الفونونات. تعمل كلتا العمليتين على تسخين المادة. يؤكد مصطلح الفونون على علاقة هذه الاهتزازات باهتزاز ميكانيكي آخر — أي الصوت. في الموصل الفائق ، يمنع التأثير الميكانيكي الكمومي المعقد هذه الخسائر الصغيرة في الطاقة إلى الوسط. يتضمن التأثير التفاعلات بين الإلكترونات وأيضًا التفاعلات بين الإلكترونات وبقية المادة. يمكن تصورها من خلال النظر في اقتران الإلكترونات في أزواج مع العزم المعاكس ؛ تكون حركة الإلكترونات المزدوجة بحيث لا يتم إعطاء أي طاقة حتى الوسط في التصادمات غير المرنة أو إثارة الفونون. يمكن للمرء أن يتخيل أن إلكترونًا على وشك "الاصطدام" بالوسيط وفقد طاقته قد ينتهي به الأمر بدلاً من ذلك إلى الاصطدام مع شريكه بحيث يتبادل الزخم دون نقل أي منهما إلى الوسط.
مادة فائقة التوصيل تستخدم على نطاق واسع في بناء المغناطيسات الكهربائية هي سبيكة من النيوبيوم والتيتانيوم. يجب تبريد هذه المادة إلى درجات قليلة فوق درجة حرارة الصفر المطلق ، −263.66 درجة مئوية (أو 9.5 كلفن) ، من أجل إظهار خاصية التوصيل الفائق. يتطلب هذا التبريد استخدام الهيليوم المسال ، وهو مكلف إلى حد ما. خلال أواخر الثمانينيات ، تم اكتشاف مواد تظهر خصائص فائقة التوصيل في درجات حرارة أعلى بكثير. درجات الحرارة أعلى من −196 درجة مئوية للنيتروجين السائل ، مما يجعل من الممكن استخدام الأخير بدلاً من الهليوم السائل. نظرًا لأن النيتروجين السائل وفير ورخيص ، فقد توفر هذه المواد فوائد كبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بدءًا من نقل الطاقة الكهربائية إلى الحوسبة عالية السرعة.
القوة الدافعة الكهربائية
يمكن لبطارية السيارة 12 فولت توصيل التيار لدائرة مثل راديو السيارة لفترة زمنية طويلة ، حيث يظل الفرق المحتمل بين أطراف البطارية قريبًا من 12 فولت. يجب أن يكون للبطارية وسيلة لاستكمال الشحنات الإيجابية والسلبية الزائدة التي تقع على المحطات المعنية والتي تكون مسؤولة عن فرق الجهد 12 فولت بين المحطات. يجب نقل الشحنات من طرف إلى آخر في اتجاه معاكس للقوة الكهربائية في الشحنات بين الأطراف. يشكل أي جهاز ينجز نقل الشحنة مصدر قوة كهربائية. تستخدم بطارية السيارة ، على سبيل المثال ، تفاعلات كيميائية لتوليد قوة كهربائية. مولد فان دي جراف الموضح في الشكل 13 هو جهاز ميكانيكي ينتج قوة حركية كهربائية. اخترع الفيزيائي الأمريكي روبرت ج. فان دي غراف في ثلاثينيات القرن العشرين ، وقد استخدم هذا النوع من مسرعات الجسيمات على نطاق واسع لدراسة الجسيمات دون الذرية. نظرًا لأنه أبسط من الناحية المفاهيمية من مصدر كيميائي للقوة الكهربائية ، سيتم مناقشة مولد Van de Graaff أولاً.
حزام سير عازل يحمل شحنة موجبة من قاعدة آلة Van de Graaff إلى داخل قبة موصلة كبيرة. تتم إزالة الشحنة من الحزام بقرب أقطاب معدنية حادة تسمى نقاط مزيل الشحن. ثم تنتقل الشحنة بسرعة إلى خارج القبة الموصلة. تخلق القبة المشحونة بإيجابية مجالًا كهربائيًا ، يشير بعيدًا عن القبة ويوفر إجراء صد على الشحنات الإيجابية الإضافية المنقولة على الحزام باتجاه القبة. وبالتالي ، يتم العمل للحفاظ على سير الحزام. إذا تم السماح لتيار بالتدفق من القبة إلى الأرض وإذا تم توفير تيار متساوٍ عن طريق نقل الشحنة على الحزام العازل ، يتم إنشاء التوازن وتبقى إمكانات القبة عند قيمة موجبة ثابتة. في هذا المثال ، يتكون التيار من القبة إلى الأرض من تيار من الأيونات الموجبة داخل الأنبوب المتسارع ، يتحرك في اتجاه المجال الكهربائي. حركة الشحنة على الحزام في اتجاه معاكس للقوة التي يمارسها المجال الكهربائي للقبة على الشحنة. إن حركة الشحنة هذه في اتجاه مقابل المجال الكهربائي هي سمة مشتركة لجميع مصادر القوة الكهربائية.
في حالة قوة كهربائية مولدة كيميائياً ، تطلق التفاعلات الكيميائية الطاقة. إذا حدثت هذه التفاعلات مع المواد الكيميائية بالقرب من بعضها البعض (على سبيل المثال ، إذا اختلطت) ، فإن الطاقة المنبعثة تسخن الخليط. لإنتاج خلية فولتية ، يجب أن تحدث هذه التفاعلات في مواقع منفصلة. تشكل الأسلاك النحاسية وسلك الزنك في الليمون خلية فولطائية بسيطة. يمكن قياس الفرق المحتمل بين أسلاك النحاس والزنك بسهولة ويوجد أنه 1.1 فولت ؛ السلك النحاسي بمثابة الطرف الموجب. مثل هذه "بطارية الليمون" هي خلية فولتية فقيرة إلى حد ما قادرة على توفير كميات صغيرة فقط من الطاقة الكهربائية. يمكن أن يوفر نوع آخر من بطارية 1.1 فولت تم إنشاؤها باستخدام نفس المواد بشكل أساسي المزيد من الكهرباء. في هذه الحالة ، يتم وضع الأسلاك النحاسية في محلول كبريتات النحاس وسلك الزنك في محلول كبريتات الزنك ؛ يتم توصيل الحلين كهربائيًا بواسطة جسر ملح كلوريد البوتاسيوم. (الجسر المالح هو موصل مع أيونات كحاملات شحن.) في كلا النوعين من البطاريات ، تأتي الطاقة من الاختلاف في درجة الارتباط بين الإلكترونات في النحاس وتلك الموجودة في الزنك. يتم اكتساب الطاقة عندما يتم ترسيب أيونات النحاس من محلول كبريتات النحاس على القطب النحاسي كأيونات نحاسية محايدة ، وبالتالي إزالة الإلكترونات الحرة من الأسلاك النحاسية. في الوقت نفسه ، تدخل ذرات الزنك من سلك الزنك في المحلول كأيونات الزنك الموجبة الشحنة ، تاركة سلك الزنك مع إلكترونات حرة زائدة. والنتيجة هي سلك نحاسي موجب الشحنة وسلك زنك مشحون بشكل سلبي. يتم فصل التفاعلين جسديًا ، مع استكمال جسر الملح للدائرة الداخلية.
يوضح الشكل 14 بطارية حمض الرصاص 12 فولت ، باستخدام الرموز القياسية لتصوير البطاريات في الدائرة. تتكون البطارية من ست خلايا فولتية ، لكل منها قوة كهربائية تقارب فولتين ؛ ترتبط الخلايا في سلسلة ، بحيث تضيف الفولتية الفردية الستة ما يصل إلى حوالي 12 فولت (الشكل 14 أ). كما هو موضح في الشكل 14 ب ، تتكون كل خلية ذات فولتين من عدد من الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة الموصلة كهربائيا بالتوازي. يتم إجراء الاتصال المتوازي لتوفير مساحة كبيرة من الأقطاب الكهربائية ، والتي يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية عليها. يسمح المعدل الأعلى الذي تكون فيه مواد الأقطاب الكهربائية خاضعة للتحولات الكيميائية للبطارية بتوصيل تيار أكبر.
في بطارية حمض الرصاص ، تتكون كل خلية فولتية من قطب سالب من الرصاص الإسفنجي النقي (Pb) وإلكترود موجب من أكسيد الرصاص (PbO 2). كل من الرصاص وأكسيد الرصاص في محلول حامض الكبريتيك (H 2 SO 4) والماء (H 2 O). عند القطب الموجب ، يكون التفاعل الكيميائي هو PbO 2 + SO - / 4 - + 4H + + 2e - → PbSO 4 + 2H 2 O + (1.68 فولت). في الطرف السلبي ، يكون التفاعل هو Pb + SO - / 4 - → PbSO 4 + 2e - + (0.36 V). إمكانات الخلية هي 1.68 + 0.36 = 2.04 فولت. 1.68 و 0.36 فولت في المعادلات أعلاه هي ، على التوالي ، إمكانات الاختزال والأكسدة ؛ إنها مرتبطة بربط الإلكترونات في المواد الكيميائية. عندما يتم إعادة شحن البطارية ، إما عن طريق مولد السيارة أو عن طريق مصدر طاقة خارجي ، يتم عكس التفاعلين الكيميائيين.
دارات التيار المباشر
تتكون أبسط دائرة للتيار المباشر (DC) من مقاوم متصل عبر مصدر قوة كهربائية. يظهر رمز المقاوم في الشكل 15 ؛ هنا تُعطى قيمة R ، 60Ω ، بالقيمة العددية المجاورة للرمز. يظهر رمز مصدر القوة الكهربائية ، E ، مع القيمة المرتبطة للجهد. تعطي الاتفاقية الطرفية ذات الخط الطويل إمكانات أعلى (أي أكثر إيجابية) من الطرفية ذات الخط القصير. يفترض أن الخطوط المستقيمة التي تربط عناصر مختلفة في الدائرة لها مقاومة لا تذكر ، بحيث لا يكون هناك تغيير في الإمكانات عبر هذه الاتصالات. تُظهر الدائرة قوة كهربائية 12 فولت متصلة بمقاوم 60 درجة. الحروف a و b و c و d على الرسم البياني هي نقاط مرجعية.
تتمثل وظيفة مصدر القوة الكهربائية في الحفاظ على النقطة a عند جهد 12 فولت أكثر إيجابية من النقطة d. وبالتالي ، فإن فرق الجهد V a - V d هو 12 فولت. الفرق المحتمل عبر المقاومة هو V b - V c. من قانون أوم ، التيار الذي يتدفق عبر المقاوم هو
نظرًا لأن النقطتين a و b متصلتان بموصل ذي مقاومة لا تذكر ، فإنهما في نفس الإمكانات. وللسبب نفسه ، يكون c و d بنفس الإمكانات. لذلك ، V b - V c = V a - V d = 12 فولت. يعطى التيار في الدائرة بالمعادلة (24). وبالتالي ، أنا = 12/60 = 0.2 أمبير. الطاقة التي تتبدد في المقاوم حيث يتم حساب الحرارة بسهولة باستخدام المعادلة (22):
من أين تأتي الطاقة التي تبدد كحرارة في المقاوم؟ يتم توفيره من خلال مصدر قوة كهربائية (على سبيل المثال ، بطارية حمض الرصاص). داخل هذا المصدر ، لكل كمية من الشحنات dQ المنقولة من الجهد الأقل عند d إلى الإمكانات الأعلى عند a ، يتم عمل قدر من العمل يساوي dW = dQ (V a - V d). إذا تم هذا العمل في فترة زمنية dt ، يتم الحصول على الطاقة التي تم تسليمها بواسطة البطارية عن طريق قسمة dW على dt. وبالتالي ، فإن الطاقة التي توفرها البطارية (بالواط) هي
باستخدام القيم i = 0.2 أمبير و V a - V d = 12 فولت يجعل dW / dt = 2.4 واط. كما هو متوقع ، فإن الطاقة التي توفرها البطارية تساوي الطاقة التي تبددها الحرارة في المقاوم.
