يعد التركيب الذري للمادة والمواد الموصلة والعازلة وتصنيفها من المواضيع الحيوية التي ينبغي دراستها بعناية وعمق. من المهم فهم طبيعة التركيب الذري وكيفية تصنيف المواد بينها، سواء كانت موصلة أو عازلة.
التركيب الذري للمادة وخصائص المواد الموصلة والعازلة
- المواد الموصلة، مثل المعادن، هي تلك التي تتمتع بإلكترونات من المدار الخارجي يمكن أن تتحرر من ذراتها، مما يسمح لها بالتحرك عشوائيًا عند تعرضها لفرق جهد.
- تتكون الإلكترونات الموصلة من الشحنات الكهربائية، ومن أمثلة المواد الموصلة النحاس والفضة والألومنيوم، بينما تتميز المواد العازلة، مثل الورق والزجاج والبلاستيك، بقدرتها العالية على منع تدفق الكهرباء.
- تحتوي نواة الذرة على نوعين من الجسيمات: البروتونات المشحونة إيجابيًا والنيوترونات المتعادلة؛ كما تدور الإلكترونات المشحونة سلبياً في مدارات معينة حول النواة، ويستخدم الإنسان الكهرباء في مختلف جوانب حياته اليومية، ويُعرف تدفق الشحنات الكهربائية بالتيار الكهربائي.
تعريف الموصلات الكهربائية
- تُعرف الموصلات بأنها المواد التي تسمح بمرور الكهرباء، وتشمل المعادن ومواد أخرى مثل الأحماض والمحاليل والكربون. تمتاز هذه المواد بوجود إلكترونات حرة قابلة للحركة تحت تأثير قوة خارجية.
- أهم موصلات الكهرباء تشمل النحاس والفضة والألومنيوم والذهب، حيث يُعتبر النحاس أكثرها شيوعًا في التطبيقات الكهربائية وذلك بفضل فعاليته وتكلفته المنخفضة مقارنة بالذهب والفضة اللذان يعتبران باهظين.
- تعتبر بعض السوائل، مثل الماء والمحاليل الملحية، فعالة أيضًا في توصيل التيار، لذا يُنصح بعدم استخدام الأسلاك الكهربائية بأيدي مبللة لتجنب مخاطر الصعق الكهربائي.
- هناك بعض الغازات التي تتحول إلى حالة البلازما عند تعرضها لدرجات حرارة عالية، مثل الضوء الفلوري، مما يجعلها أيضًا موصلات للكهرباء.
- تتأثر كفاءة المواد الموصلة بالحرارة، لذا يُفضل أن تعمل هذه المواد في درجات حرارة منخفضة لضمان أفضل أداء.
الفرق بين الموصلات والعوازل الكهربائية
- تُعرف المواد التي لا يسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها بالعوازل، وذلك بسبب قوة الربط بين النواة والإلكترونات الحرة فيها. تشمل هذه المواد أنواعًا من الغازات والسوائل وبعض المواد الصلبة القوية.
- يعد البلاستيك من أمثلة المواد العازلة التي تكتسب أهمية خاصة عند التعامل مع التيار الكهربائي.
الفرق بين الموصلات وأشباه الموصلات الكهربائية
- تسمح أشباه الموصلات بمرور الكهرباء بشكل ضعيف وتعتبر مواد عازلة مع إمكانية ضبط قدرتها على التوصيل الكهربائي. من أمثلة هذه المواد السيليكون والجرمانيوم.
- يُستخدم هذا النوع من المواد في الإلكترونيات مثل أجهزة التلفاز والراديو والترانزستورات وآلات الحاسبة، حيث تُعرف الموصلات الكهربائية بالناقلات الكهربائية.
أشهر المعادن الموصلة للكهرباء
- توجد عدة معادن معروفة بقدرتها العالية على توصيل الكهرباء. من بين هذه المعادن، تُعتبر الفضة واحدة من الأفضليات في توصيل التيار الكهربائي نظرًا لاحتوائها على إلكترونات حرة.
- عندما يمر التيار الكهربائي عبر المعادن، فإن الإلكترونات تتحرك داخل المعدن، مما يزيد من كفاءة التوصيل. ورغم أن الفضة هي الأكثر توصيلاً، إلا أن تكلفة استخدامها تعتبر مرتفعة.
- يتميز النحاس بكونه الأقل موصلية من الفضة لكنه يُستخدم على نطاق واسع نظرًا لتكلفته الاقتصادية. كما أن الألومنيوم يُعتبر أكثر توصيلًا مقارنةً بوزنه من النحاس ولكن له بعض العيوب، مثل تشكيل أكسيد يُعيق التوصيل الكهربائي.
- تستعمل المعادن مثل الذهب ليس فقط بسبب قدرتها على التوصيل ولكن أيضًا لعدم تأكسدها عند تعرضها للهواء، مما يجعل من استخدامها مقتصرًا على التطبيقات الخاصة نظرًا لارتفاع ثمنها.
- يُستخدم الفولاذ، كمادة موصلة، ولكن يجب الحرص لأنه يتآكل في الهواء ويتطلب حماية من العوامل الخارجية.
- تعتبر بعض المواد الأخرى، مثل البلاستيك والخشب والزجاج، غير موصلة بالكهرباء، في حين يظهر الماء المالح كموصل جيد.
تعريف الموصلية الكهربائية
- الموصلية الكهربائية تشير إلى قدرة المادة على نقل تدفق الشحنات. على سبيل المثال، عند توصيل طرفي البطارية بشريط من الحديد، يُظهر الجلفانومتر، وهو جهاز يستخدم لقياس التدفق الكهربائي، تدفق التيار.
- تختلف المعادن فيما بينها بحسب قدرتها على توصيل الكهرباء، حيث يعد الألومنيوم والفضة أكثر الموصلات كفاءة مقارنةً بالحديد، بينما يُظهر الرصاص قراءات أقل نظرًا لضعفه الكهربائي.
العناصر المكونة لأشباه الموصلات
- تتكون أشباه الموصلات بشكل رئيسي من الجرمانيوم والسيليكون، بالإضافة إلى مركبات مثل زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم وكبريتيد الرصاص.
- هناك العديد من المواد التي يمكن استخدامها كأشباه موصلات، بما في ذلك بعض أنواع البلاستيك التي تُستخدم لتصنيع الصمامات الثنائية المشعة (LEDs)، حيث تُعتبر مرونة البلاستيك ميزة كبيرة.
- التركيب الذري للمادة ومعرفة المواد الموصلة والعازلة وتصنيفها أمر مهم لفهم خصائص هذه المواد.
أنواع أشباه الموصلات
- تنشأ أشباه الموصلات من خلال إضافة الشوائب إلى المواد، حيث تتأثر موصلية المادة بنوعية وكمية الشوائب المضافة.
- تنقسم أشباه الموصلات إلى نوعين رئيسيين: الأشباه سالبة الشحنة – التي تحتوي على عدد كبير من الإلكترونات الحرة – والأشباه الموجبة، التي تحتوي على عدد أقل من الإلكترونات الحرة.
- كان الاستخدام الأول لمصطلح شبه الموصل يعود لعالم في البداية.
كواشف أشباه الموصلات
- عند دخول شعاع مؤين إلى شبه الموصل، تنفصل الإلكترونات عن ذراتها وتتشكل فجوات موجبة الشحنة. يحدث هذا إثر تعرض شبه الموصل للتيار.
- يمكن تكبير الإشارات بواسطة مضخم إلكتروني، ويستخدم التصميم المتقدم لإعداد كواشف تستخدم في التطبيقات الكهربائية.
- في مجال الكهرباء، تهدف هذه الكواشف إلى نقل الشحنات المتولدة داخل شبه الموصل، وتسبب الأشعة المؤينة في تكوين أزواج من الإلكترونات السالبة والفجوات.
- تعتمد مواقع الشحنات على نوع الشعاع المؤين الساقط في شبه الموصل، مما قد يؤدي إلى توليد جسيمات مشحونة.
- تؤثر الفوتونات من خلال التأثير الكهروضوئي على ذرات شبه الموصل، حيث يتم امتصاص الفوتون بالكامل.
استخدامات كواشف أشباه الموصلات
- تتميز كواشف أشباه الموصلات بقدرتها الكبيرة على التفريق بين طاقات الجسيمات الساقطة، مما يسهل استخدامها في الأبحاث العلمية.
- تستخدم هذه الكواشف في دراسات طيف الأشعة تحت الحمراء، التحليل الفلوري للأشعة السينية، ودراسة الجسيمات الأولية. كما تُستخدم في بناء كواشف مثل مكشاف أطلس في مراكز الأبحاث الكبيرة.
- تستخدم أيضًا كواشف أشباه الموصلات في المجسات الضوئية وكاميرات البيكسل الرقمية، ومع إمكانية تصنيع ملايين منها.
كيفية التطعيم في أشباه الموصلات
- تعد عملية التطعيم بالإلكترونات تقنية مصنعية تهدف إلى تحويل بلورة شبه الموصل من نوع داخلي إلى خارجي من خلال إضافة كمية قليلة من مادة غنية بالإلكترونات.
- يمكن أن يتم هذا إما عبر إضافة مواد مانحة للإلكترونات أو عبر إضافة مواد تحتوي على فجوات إلكترونية.
- تتحرك الكهرباء في هذه البلورات بهيئة حركة الإلكترونات السالبة التي تتحرك نحو الفجوات الموجبة.
- يستخدم زرنيخ الغاليوم النقي كمادة حاملة للإشابة. عند إضافة مادة مانحة مثل الفوسفور أو الزرنيخ، تتشكل بلورة شبه موصل سالبة.
- أما عند إضافة مادة من المجموعة الثالثة، فإنها تؤدي إلى تشكيل فجوات إلكترونية مما ينتج بلورة شبه موصل موجب.
- تظل الرابطة التساهمية بين الإلكترونات غير مكتملة في حالة بعض المواد، مما يؤدي إلى تشكيل فجوات إلكترونية، وهو ما يُعزز من أهمية التركيب الذري في فهم خصائص المواد.
